Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Parametry zážehového motoru při změně oktanového čísla paliva Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Bc. Pejchal Vít
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Parametry zážehového motoru při změně oktanového čísla paliva vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELOVY UNIVERZITY v Brně.
dne………………………………………..... podpis diplomanta.…………………………
PODĚKOVÁNÍ Rád bych tímto poděkoval Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za jeho cenné rady a připomínky, které mi vždy poskytl při tvorbě práce.
ABSTRAKT Tato diplomová práce byla napsána na téma parametry zážehového motoru při změně oktanového čísla paliva. V teoretické části je zpracován přehled paliv využívaných zážehovými motory a aspekty použití zážehových motorů na alternativní paliva. Velký důraz je kladen na nejvíce využívaná paliva jako zemní plyn a různé varianty jeho využití, dále zaujímá velkou část LPG a paliva získaná z biomasy. V praktické části je zkoumána závislost parametrů zážehového motoru na změně oktanového čísla paliva, především se jedná o výkon, točivý moment, měrnou efektivní spotřebu a hodinovou spotřebu. Klíčová slova: palivo, zemní plyn, oktanové číslo, CNG, LNG, etanol, metanol, bioplyn, vodík.
ABSTRACT This master thesis deals with the results of engine parameters influenced by changes in octane number. Introduction brings summary of fuels used in spark ignition engines, the pros and cons are described in the relation with torque generation as well as emission production. There are explained technical aspects of using of alternative fuels such as CNG and LPG or bio-fuels. My experimental work was focused on relation among output parameters depending on used fuel. Monitored parameters were: engine power, torque, specific or actual fuel consumption.
Key words: fuel, natural gas, octane size, CNG, LNG, etanol, metanol, biogas, hydrogen.
OBSAH 1
ÚVOD .................................................................................................................................. 9
2
CÍL PRÁCE ...................................................................................................................... 11
3
PALIVA PRO ZÁŽEHOVÉ MOTORY ......................................................................... 12
4
UHLOVODÍKOVÁ PALIVA ......................................................................................... 13
4.1
Automobilový benzín ................................................................................................................. 13
4.1.1
Základní požadavky ................................................................................................................. 13
4.1.2
Požadavky na odpařovací vlastnosti benzínu ......................................................................... 13
4.1.3
Druhy a vlastnosti benzínů ..................................................................................................... 14
4.1.4
Antidetonační vlastnosti automobilních benzínů ................................................................... 14
4.2
4.1.4.1
Oktanové číslo ............................................................................................................... 15
4.1.4.2
Antidetonátory .............................................................................................................. 15
Zemní plyn ................................................................................................................................. 16
4.2.1
Fyzikálně chemické vlastnosti zemního plynu ........................................................................ 16
4.2.2
Fyzikálně chemické vlastnosti zkapalněného zemního plynu – LNG ...................................... 18
4.2.3
Distribuce zemního plynu ....................................................................................................... 19
4.2.4
CNG stanice............................................................................................................................. 19
4.2.5
LCNG stanice ........................................................................................................................... 20
4.2.6
LNG stanice ............................................................................................................................. 21
4.2.7
Výhody a nevýhody používání zemního plynu v dopravě ....................................................... 21
4.2.8
Využívání zemního plynu ve vozidlech.................................................................................... 22
4.3
4.2.8.1
CNG technologie ve vozidlech ....................................................................................... 22
4.2.8.2
LNG technologie ve vozidlech ....................................................................................... 24
LPG ............................................................................................................................................. 25
4.3.1
Požadavky na LPG využívané pro pohon motorových vozidel ................................................ 25
4.3.2
Klady a zápory LPG .................................................................................................................. 27
4.3.3
LPG technologie ve vozidlech ................................................................................................. 27
5
PALIVA ZÍSKANÁ Z BIOMASY .................................................................................. 29
5.1
Alkoholová paliva ....................................................................................................................... 30
5.1.1
Etanol ...................................................................................................................................... 30
5.1.2
Výhody a nevýhody etanolu používaného jako palivo ve vozidlech ...................................... 31
5.1.3
Výroba etanolu ....................................................................................................................... 31
5.1.4
Metanol .................................................................................................................................. 32
5.1.5
Výhody a nevýhody metanolu používaného jako palivo ve vozidlech ................................... 32
5.1.6
MTBE a ETBE ........................................................................................................................... 32
5.2
Bioplyn ....................................................................................................................................... 33
5.2.1
Podmínky pro používání bioplynu v dopravě ......................................................................... 33
6
VODÍK.............................................................................................................................. 33
6.1
Výroba vodíku ............................................................................................................................ 34
6.2
Vodík využívaný jako palivo ve vozidlech ................................................................................... 35
7
VŠEOBECNÝ PŘEHLED ZÁKLADNÍCH VLASTNOSTÍ, VÝHOD A NEVÝHOD
PALIV PRO ZÁŽEHOVÉ MOTORY .................................................................................... 37 7.1
Výhody a nevýhody jednotlivých paliv ....................................................................................... 38
8
VLASTNÍ PRÁCE ........................................................................................................... 40
8.1
Cíl měření ................................................................................................................................... 40
8.2
Specifikace měřeného motoru ................................................................................................... 41
8.3
Specifikace měřícího stanoviště ................................................................................................. 42
8.4
Metodika měření........................................................................................................................ 44
8.4.1
Příprava měřícího pracoviště .................................................................................................. 44
8.4.2
Postup měření......................................................................................................................... 45
8.4.3
Atmosférické podmínky zkoušky ............................................................................................ 46
8.5
Vyhodnocení měření a diskuze ................................................................................................... 47
9
ZÁVĚR ............................................................................................................................. 56
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY: .................................................................................... 58 SEZNAM OBRÁZKŮ: ............................................................................................................. 60
SEZNAM TABULEK: ............................................................................................................. 61 SEZNAM GRAFŮ: ................................................................................................................... 62
1 ÚVOD Automobily jsou v současné době nedílnou a téměř nepostradatelnou součástí života každého člověka, neboť slouží k přepravě jak samotných osob, tak věcí potřebných k jejich životu či k provádění různých prací a málo kdo si bez nich dokáže představit svůj život. Díky všem těmto důvodům je v současné době již nespočet vozidel a do budoucna je téměř jistý další růst, neboť automobilová doprava představuje pro společnost určitý komfort, o který se nenechá připravit, ba naopak bude se snažit své životní standardy zvyšovat. K pohonu automobilů v dnešní době slouží v naprosté většině případů spalovací motory. Zážehové motory osobních automobilů používají lehce odpařitelná tekutá nebo plynná paliva. Jejich úkolem je přeměna energie obsažené v palivu na energii pohybovou. Tato přeměna se uskutečňuje ve spalovacím prostoru válce motoru. Směs paliva a vzduchu je zde zažehnuta elektrickou jiskrou, což má za následek tlak na píst, přes který je následně přenášena energie na ojnici a klikovou hřídel, která přeměňuje přímočarý vratný pohyb na pohyb otáčivý, který je dále využíván, aby konal užitečnou práci. Lidé využívají fosilní zdroje energie již více jak sto let a následky této těžby se již velmi negativně projevují na stavu životního prostředí a docházejících zásobách těchto fosilních zdrojů. Tento fakt můžeme pozorovat téměř každý den na vzrůstajících cenách pohonných hmot, což se projevuje na každém z nás. Z těchto důvodů je pro současnou dobu stále více charakteristická větší snaha hledání a plánované zavádění takzvaných alternativních zdrojů energie, které by více šetřily životní prostředí, ale hlavně by byly získávány ze zdrojů, které vznikají stále, tedy měly by být opravdu nevyčerpatelné. Mezi takové zdroje patří například: biomasa, bioplyn atd. Jako alternativní zdroje jsou chápány všechny alternativy za klasická konvenční paliva, patří sem tedy i paliva jako jsou: •
zkapalněné ropné plyny (LPG),
•
zemní plyn (LNG a CNG),
•
vodík. Aby bylo možné motor v běžném provozu provozovat na dané palivo, je
nezbytně nutné otestovat, jaké budou jeho vlastnosti při použití daného paliva. V dnešní
9
době je provádění těchto testů důležitější, než tomu bylo kdykoliv předtím, jelikož jsou kladeny stále vyšší požadavky na splnění přísných emisních limitů, nízkou hodnotu měrné efektivní či hodinové spotřeby paliva, vysoký výkon motoru nebo točivý moment motoru atp. Díky těmto testům je možné provádět různé modifikace paliv a nastavení motorů, tak aby splňovaly veškeré požadavky dnešní doby.
10
2 CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce bylo zjistit závislost parametrů motoru na oktanovém čísle paliva. Dále vytvořit ucelený přehled jednotlivých paliv využívaných zážehovými motory, tyto paliva charakterizovat, analyzovat jejich vlastnosti a popsat aspekty provozu zážehového motoru na alternativní paliva.
11
3 Paliva pro zážehové motory V současné době se u zážehových motorů používají paliva vyobrazená na obr.1.
Obr. 1 Rozdělení paliv pro zážehové motory (Rauscher, 2004)
Paliva využívaná u zážehových spalovacích motorů lze rozdělit do těchto základních skupin: 1. Paliva uhlovodíková -kapalná (benzín), -plynná (propan – butan, zemní plyn), 2. Paliva získaná zpracováním biomasy -kapalná (etylalkohol, metylalkohol), -plynná (bioplyn), 3. Vodík
12
4 Uhlovodíková paliva Kapalná uhlovodíková paliva jsou získávána frakční destilací ropy. Frakční destilace je založena na tom, že s rostoucí velikostí molekul jednotlivých uhlovodíků roste i bod jejich varu. Odpařením a následnou kondenzací pak získáme jednotlivé druhy kapalných paliv. (Rauscher, 2004) Podstatou uhlovodíkových paliv jsou sloučeniny uhlíku s vodíkem, v nichž uhlík vystupuje vždy jako čtyřmocný prvek, jehož valence (mocenství) jsou vázány buď jiným atomem uhlíku, nebo vodíkem. Podle uspořádání řetězce atomů uhlíků se rozlišují uhlovodíky s řetězovou vazbou uhlíku v molekule a uhlovodíky s cyklickou (kruhovou) vazbou uhlíku. (Vlk, 2006)
4.1 Automobilový benzín 4.1.1 •
Základní požadavky Požadavek na dobrou odpařitelnost za nízkých teplot pro zajištění snazších startů.
•
Nesmí obsahovat těžké frakční podíly (nad 210oC), aby nedocházelo ke smývání olejového filmu na stěně válce a ředění oleje v motorové skříni.
•
Nízký obsah síry, která způsobuje korozi palivového systému, dále způsobuje pokles oktanového čísla benzínu a má za následek zvýšení obsahu škodlivin ve výfukových plynech motoru.
•
Nesmí obsahovat pryskyřice způsobující zanášení trysek a usazující se v sacím potrubí a na sacím ventilu.
•
Dlouhodobá stabilita, která zabezpečí nízké ztráty při skladování.
•
Oktanové číslo minimálně 95Vm (Vlk, 2006).
4.1.2
Požadavky na odpařovací vlastnosti benzínu Většina současných motorů používá vnější tvorbu směsi, to znamená, že ke
směšování paliva se vzduchem dochází v karburátoru, ve vstřikovací jednotce při vstřikování paliva u jednobodového vstřiku nebo u vícebodového vstřiku v prostoru sacího ventilu. Tvorba směsi probíhá jak v průběhu proudění sacím potrubím, tak i ve válci motoru v průběhu sacího a kompresního zdvihu. U motorů s přímým vstřikem benzínu do válce motoru pak pouze ve válci motoru. U současných automobilních motorů vyplývá z legislativy požadavek na obsah škodlivin ve výfukových plynech, který je možno splnit pouze při použití třícestného katalyzátoru a zabezpečení 13
stechiometrického poměru (tj. poměr, který zabezpečuje teoreticky dokonalé spálení uhlíku a vodíku obsaženého v benzínu). Stechiometrický poměr představuje poměr 14,8 : 1, tedy na spálení 1 kilogramu benzínu potřebujeme 14,8 kilogramu vzduchu λ = 1. (Rauscher, 2004) Aby bylo možné zabezpečit optimální stechiometrický poměr, je nutné používat elektronicky řízené vstřikovací systémy, které pracují na základě signálů, tzv. lambda sondy. 4.1.3
Druhy a vlastnosti benzínů Automobilový benzín je směsí kapalných uhlovodíků vroucích v rozmezí
převážně 30 až 210 oC. Pro zlepšení svých vlastností mohou obsahovat přísady kyslíkatých látek (na zvýšení OČ), detergenty (na zajištění čistoty palivového systému), proti korozi (antioxidační), antidetonační a jiné. Bezolovnaté automobilové benzíny jsou užívány převážně pro zážehové motory silničních motorových vozidel. Nesmějí se využívat pro vozidla, která jsou v provozu na pracovištích v uzavřených prostorách. Bezolovnaté benzíny jsou určeny pro moderní typy zážehových motorů vybavených katalyzátorem a řízených lambda sondou. ČEPRO a.s. nabízí a skladuje benziny podle tab. 1. Bezolovnaté benziny jsou určeny jako palivo pro zážehové motory a definovány normou ČSN EN 228. (Vlk, 2006) Tab. 1Automobilové benzíny BA dodávané ČEPRO a.s. (Vlk, 2006) Hustota Obchodní název při 15oC [kg.m-3] BA-95 Natural BA-91 Natural BA-91 Special 4.1.4
720-775 720-776 720-777
Barva
Oktanové číslo
Obsah olova [mg.l-1]
nažloutlá nažloutlá oranžová
95 91 91
5 5 5
Antidetonační vlastnosti automobilních benzínů Tyto vlastnosti jsou charakterizovány oktanovým číslem a vyjadřují odolnost
benzínu proti detonačnímu spalování. Detonační spalování je charakterizováno vzplanutím části směsi paliva se vzduchem, které má charakter detonace. Tlaková vlna, vyvolaná detonačním spalováním, se šíří spalovacím prostorem rychlostí zvuku a při dopadu na stěny spalovacího prostoru a dno pístu vyvolává rázy v pístní skupině a klikovém mechanismu. Na venek se projevuje detonační spalování hlukem, tzv. 14
,,klepání motoru“. Následkem zvyšování hustoty spalin u stěn spalovacího prostoru je zvýšený přestup tepla do stěn a přehřívání motoru. Dlouhodobý provoz za těchto podmínek vede k poruše motoru. Vznik detonačního spalování při maximálním zatížení motoru ovlivňuje tvar a uspořádání spalovacího prostoru (motory SV, OHV), velikost kompresního poměru, předstih zážehu, dále i zakarbonování spalovacího prostoru. Nejvíce však ovlivňuje vznik detonačního spalování odolnost paliva vyjádřená oktanovým číslem. (Rauscher, 2004)
Obr. 2 Detonační hoření. (Rauscher, 2004) 4.1.4.1 Oktanové číslo Udává procentuelní objemový podíl izooktanu (oktanové číslo 100) a n-heptanu (oktanové číslo 0) ve směsi, která má stejnou odolnost proti vzniku detonací při spalovaní jako zkoušené palivo. Hodnoty oktanového čísla paliva se zjišťují měřením na zkušebním jednoválcovém motoru s proměnným kompresním poměrem. Pro definovaný režim práce zkušebního motoru (VM - výzkumná metoda, MM - motorová metoda) určíme za postupného zvyšování kompresního poměru počátek klepaní u hodnoceného benzínu. Ponecháme kompresní poměr a změnou objemového množství izooktanu a n-heptanu v porovnávacím palivu vytvoříme takovou směs, která má z hlediska klepání totožné vlastnosti. (Rauscher, 2004) 4.1.4.2 Antidetonátory Benzín získaný frakční destilací ropy má oktanové číslo přibližně 87. Zvýšení oktanového čísla se zajistí přidáním dalších látek, které se nazývají antidetonátory. U současných bezolovnatých benzínů jsou jako antidetonátory používány organické sloučeniny, např. metylterciárbutyléter (MTBE) a etanol. (Rauscher, 2004)
15
4.2 Zemní plyn Počátky využívání zemního plynu jako paliva u vozidlových motorů na území ČR spadají do období druhé světové války, kdy byl stlačený zemní plyn (CNG) používán pro pohon motorových vozidel na jižní Moravě, kde se nacházely čtyři plnící stanice. Po dlouhé přestávce začal být opět používán v osmdesátých letech minulého století k pohonu vozidel s CNG z kompresorové stanice v Horní Suché u Ostravy. Celkové zásoby zemního plynu, odhadované na 5,11.1014 m3, mají životnost až 200 let. Současné dodávky zemního plynu do ČR jsou kryty převážně za zásob Ruska a SRN, odkud je na základě kontraktu s Norskem dodáván zemní plyn. Zemní plyn se skládá asi z 85% z metanu (CH4 – jednoduchý uhlovodík bez barvy a zápachu, hořlavý, se vzduchem výbušný plyn, vyskytující se často v přírodě i jako bahenní či důlní plyn), z 10 % dusíku a oxidu uhličitého a z 5 % vyšších uhlovodíků. Zemní plyn se distribuuje ve dvou skupenstvích, v plynném (CNG) a kapalném (LNG). (Vlk, 2006), (Šebor, 2006), (Vlk, 2004)
Obr. 3 Mapa ČR se zakreslením stanic na zemní plyn (Anonym, 2012) 4.2.1
Fyzikálně chemické vlastnosti zemního plynu Z chemického hlediska je zemní plyn směs plynných uhlovodíků s proměnnou
příměsí neuhlovodíkových plynů. Jeho charakteristickým znakem je vysoký obsah 16
metanu CH4. Zemní plyny typu H, které jsou využívány ve většině evropských zemí včetně České republiky, obsahují zpravidla více než 90% objemu metanu a méně než 5% objemu nehořlavých látek. Zemní plyn je hořlavý výbušný plyn bez barvy, bez zápachu a bez chuti. Je nejedovatý, má zanedbatelné toxické vlastnosti. Je lehčí než vzduch. (Šebor, 2006) Tab. 2 Složení vybraných zemních plynů (% objemu) používaných v zemích EU a zemního plynu těženého v ČR (jižní Morava) (Šebor, 2006) Složky zemního plynu
Tranzitní
Norský
Alžírský
Jihomoravský Holandský
Metan CH4
98,35
85,8
86,9
97,7
81,31
Etan C2H6
0,44
8,49
9
1,2
2,85
Propan C3H8
0,16
2,3
2,6
0,5
0,37
Butan C4H10
0,07
0,7
1,2
-
0,14
Pentan C5H12
0,03
0,25
-
-
0,09
Dusík N2
0,84
0,96
0,3
0,6
14,35
Oxid uhličitý CO2
0,07
1,5
-
-
0,89
Tab. 3Hodnoty výhřevnosti Hi tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0 °C a 15 °C, 101 325 Pa (Šebor, 2006) Zemní plyn Tranzitní Norský Alžírský Holandský
H0 i
H15 i
[kJ.m-3]
[kWh.m-3]
[kJ.m-3]
[kWh.m-3]
35870 39653 40840 31669
9,964 11,015 11,344 8,797
34,003 37589 38714 30020
9,445 10,441 10,754 9,339
Tab. 4 Hodnoty spalných tepel Hi tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0 °C a 15 °C, 101 325 Pa (Šebor, 2006) Zemní plyn Tranzitní Norský Alžírský Holandský
H0 i [kJ.m-3] 39794 43823 45169 35094
H15 i [kWh.m-3] 11,054 12,173 12,547 9,748
17
[kJ.m-3] 37724 41542 42818 332267
[kWh.m-3] 10,478 11,539 11,894 9,241
Tab. 5 Přibližné hodnoty zápalných teplot tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu ve směsi se vzduchem pro λ=1 a tlak 101 325 Pa (Šebor, 2006) Zemní plyn
Zápalná teplota [oC]
Tranzitní Norský Alžírský Holandský
600 690 580 630
Tab. 6 Vybrané fyzikálně chemické vlastnosti zemního plynu distribuovaného v ČR (Šebor, 2006) Parametr CH4 Vyšší uhlovodíky CO2 N2 Ceková síra Výhřevnost Spalné teplo Hustota Relativní hustota Spalovací rychlost (max) Wobbbeho číslo Meze výbušnosti Bod vzplanutí Bod hoření Teplota vznícení Bod tuhnutí Teplota varu
Rozměr % % % % Mg.m3 MJ.m-3 MJ.m-3 kg.m-3 cm.s-1 MJ.m-3 % o C o C o C o C o C
Teoretické složení spalin
%
Oktanové číslo
-
4.2.2
Hodnota 97,99 1,07 0,11 0,83 0,2 34,91 37,852 0,694 0,568 34 53,6 4,4-15 152 650 537-580 pod -182 -162 9,53 CO 18,95 H2O 71,52N2 130
Fyzikálně chemické vlastnosti zkapalněného zemního plynu – LNG Zkapalněný zemní plyn LNG je takřka čistý metan zchlazený na -162 oC při
atmosférickém tlaku. Jedná se o namodralou kapalinu bez zápachu, nekorozivní a netoxickou. Zkapalněný zemní plyn zaujímá přibližně 600 x menší objem než plynný zemní plyn. Hmotnost je oproti vodě méně než poloviční, hustota LNG je 0,4 – 0,42 kg.m-3. 1kg LNG má výhřevnost 58,8MJ, 1 litr LNG pak 22,2 MJ. (Šebor, 2006)
18
4.2.3
Distribuce zemního plynu V současné době se distribuuje asi 80% zemního plynu pomocí ropovodu,
zbytek tankery ve zkapalněné formě. Evropská soustava ropovodů, které slouží pro přepravu zemního plynu, má více než 500 000 km. Z tranzitního plynovodu je zemní plyn přepravován za pomoci dálkových a distribučních systémů společností ke spotřebitelům. Plynovody jsou děleny podle maximálního tlaku. Velmi vysokotlaké systémy přepravují zemní plyn pod tlakem až 4MPa. (Šebor, 2006) 4.2.4
CNG stanice Zemní plyn z plynovodní sítě se v plnicích stanicích zemního plynu pomocí
kompresoru stlačuje na tlak 20-30 MPa. Následně je CNG skladován v tlakových zásobnících, které jsou vzájemně propojené. Vlastní plnění je přepouštění stlačeného zemního plynu z tlakových zásobníků prostřednictvím výdejního stojanu do tlakové nádoby ve vozidle. Plnicí konektor hadice výdejního stojanu je připojen pomocí rychloupínacího systému na plnicí ventil vozidla. Podle způsobu plnění se používají dva typy stanic a to pro rychlé a pomalé plnění. (Šebor, 2006) Stanice pro rychlé plnění. Princip tohoto plnění je popsán výše. Doba tohoto plnění je obdobná jako kapalných pohonných hmot cca 3-5 minut.(Šebor, 2006) Stanice pro pomalé plnění. Plnění je prováděno pomocí malého kompresoru a ke své činnosti nevyužívá tlakové zásobníky. Tento princip je mnohonásobně pomalejší.
Obr. 4 Schéma stanice pro rychlé plnění CNG (Šebor, 2006)
19
Obr. 5Schéma stanice pro pomalé plnění CNG (Šebor, 2006) 4.2.5
LCNG stanice LCNG stanice jsou založeny na principu, že se doveze LNG, které se následně
stlačí vysokotlakým čerpadlem. Poté se LNG protlačí přes odpařovač, ve kterém dojde ke zplynění. Stlačený zemní plyn se následně uskladní v tlakových zásobnících CNG, ze kterých se následně čerpá při plnění do osobních vozidel přes výdejní stojan. Výhodou těchto stanic je nezávislost na plynovodech, což znamená, že může být umístěna kdekoliv. Další výhodou je oproti CNG stanicím menší finanční náročnost.
Obr. 6 Schéma LCNG stanice (Bergen, Norsko) (Šebor, 2006) 20
4.2.6
LNG stanice V případě LNG stanic probíhá plnění vozidel určených přímo pro zkapalněný
zemní plyn. LNG stanice mohou být stabilní, mobilní nebo přemístitelné. Stabilní plnicí stanice LNG bývají jednoduché konstrukce a jsou tvořeny těmito následujícími základními komponenty: LNG zásobník, odstředivé ponorné jednostupňové čerpadlo, odpařovač, řídící a bezpečnostní systém a výdejní stojan s průtokoměrem. LNG je na stanici dopravován silničními cisternami. Na stanici je LNG z cisterny přepuštěn do zásobníku. V ní je LNG uskladněn při tlaku 0,1 MPa, což odpovídá teplotě -162 oC. Investiční i provozní náklady LNG stanice jsou nižší oproti CNG stanicím stejné kapacity. Hlavními výhodami LNG stanic je, že mohou být umístěny kdekoliv. Další výhodou je, že není nutná příliš vysoká hustota pokrytí oproti CNG, jelikož vozidla jezdící na LNG mají větší dojezd. Nevýhodou je ovšem nutnost dodržování nízkoteplotních technologií. (Šebor, 2006)
Obr. 7 Schéma LNG stanice (Anonym, 2012) 4.2.7
Výhody a nevýhody používání zemního plynu v dopravě Stlačený zemní plyn se v automobilovém průmyslu využívá pro své nesporné
výhody, jako jsou: •
Ekologické výhody: o ekologické výhody zemního plynu se zasluhuje jeho chemické složení. Vozidla provozovaná na zemní plyn produkují podstatně méně škodlivin než vozidla provozovaná na klasická paliva.
21
•
Bezpečnostní výhody: nádrže pro zemní plyn jsou podstatně bezpečnější než nádrže na klasická paliva.
•
Ekonomické výhody: při provozu vozidel na zemní plyn jsou výrazně menší provozní náklady.
Používání zemního plynu v automobilovém průmyslu má bohužel i své nevýhody, jako jsou: •
Vyšší náklady: zemní plyn má sice velkou výhodu nižších provozních nákladů, ale na druhou stranu je spojen s vyššími náklady na přestavbu vozidla a na plnicí stanice.
•
Zhoršení komfortu: přestavba je spojena s montáží nádrže na zemní plyn, která se zpravidla umisťuje do zavazadlového prostoru, což má za následek zmenšení jeho užitného objemu.
•
Malá infrastruktura: tyto paliva bohužel nejsou dostatečně rozšířená, proto trpí na nedostatek čerpacích stanic.
4.2.8
Využívání zemního plynu ve vozidlech Zemní plyn je možné používat jak v klasických benzínových tak po úpravě i ve
vznětových motorech. 4.2.8.1 CNG technologie ve vozidlech Plnění tlakových palivových nádrží, které bývají většinou ocelové, se provádí prostřednictvím plnicího ventilu. Palivové nádrže bývají u osobních automobilů v zavazadlových prostorech a v případě autobusů rovněž v zavazadlovém prostoru, popřípadě na střeše. Během jízdy se stlačený zemní plyn přemisťuje vysokotlakým palivovým potrubím do vysokotlakého regulátoru, ve kterém dochází k redukci na potřebný tlak k provozu. Na základě signálu z řídící jednotky dochází k úpravě množství plynu přiváděného do směšovače, ve kterém dochází k tvorbě paliva (zemní plyn se vzduchem). Pro správné zabezpečení funkce je využívána řídící jednotka a přerušovač vstřiku, které mají za úkol přerušit dávkování benzínu a řídit dávkování zemního plynu. V palubní desce bývá po té zabudován ukazatel množství zemního plynu a v případě, že je vozidlo provozováno na více druhů paliv, je zde umístěn také přepínač těchto paliv.
22
Obr. 8 Příklad sérově vyráběného vozidla, které využívá jako palivo zemní plyn. (GreenCar, 2004) Palivová soustava CNG se skládá z těchto základních komponent: 1. Plnicí ventil: slouží k plnění tlakové nádrže, ve které je zemní plyn. 2. Tlakové nádoby a multiventil: tlakové nádoby slouží jako zásobník stlačeného, popřípadě zkapalněného zemního plynu. Tyto nádoby bývají většinou ocelové. Multiventil má za úkol uzavřít tlakovou nádobu v případě vypnutého zapalování, dále řídí odebírání zemního plynu z nádrže. Dalším úkolem multiventilu je v případě poruchy potrubí přerušit dodávku plynu, v případě přetlaku upustit dané množství plynu. V případě požáru má za úkol teplotní pojistka vypustit plyn z tlakové nádrže. 3. Vysokotlaké potrubí: slouží k propojení plnicího ventilu s tlakovou nádobou a tlakové nádoby s regulátorem. 4. Regulátor tlaku: je využíván pro redukci tlaku plynu na požadovanou provozní hodnotu. Bývá umístěn v blízkosti motoru, aby mohl být napojen na jeho chladící okruh, ze kterého odebírá teplo. Další příslušenství je závislé na tom, jaký systém je ve vozidle využíván. V případě vozidel s přímým vstřikem plynu je zapotřebí k předchozím částem přidat toto příslušenství: 23
5. Elektronické vstřikovače a palivová lišta: vstřikovače mají na starost vstřikování do sacího potrubí každého válce. Tyto vstřikovače pracují sekvenčně. Palivová lišta má za úkol přívod paliva od regulátoru tlaku paliva ke každému z vstřikovačů. V případě vozidel s centrálním směšováním plynu je zapotřebí k základní skupině připojit toto příslušenství: 5. Krokový motorek: přijímá signál z řídící jednotky a na jeho základě upravuje množství plynu. 6. Směšovač: jeho úkolem je vytvořit směs plynu a vzduchu. 7. Řídící jednotka: má za úkol řídit správný provoz vozidla. Její činnost je založena na spolupráci s benzínovou řídící jednotkou a řízení dávkování plynu. 8. Přepínač benzínu a plynu: slouží pro přepínání mezi palivy BENZÍN-PLYN. V případě přepnutí z benzínu na plyn se přeruší přívod benzínu a otevře se přívod plynu z regulátoru, poté se zapne regulace plynu v závislosti na údajích lambda sondy. 9. Katalyzátor s lambda sondou: Lambda sonda má za úkol analyzovat výfukové plyny, na základě jejich složení elektronická jednotka řídí dávkování plynu. 4.2.8.2 LNG technologie ve vozidlech LNG nádrže ve vozidlech jsou vybaveny dvouplášťovou nádobou z nerezové oceli o tloušťce 3mm. Mezi plášti je tzv. superizolace, což je navinutá hliníková fólie, která je prokládaná sklo-vláknitým papírem a odčerpaná na vysoké vakuum. Nádoba je vybavena armaturami pro plnění, regulaci tlaku, odběr LNG, měření hladiny a tlaku. Tyto nádrže se konstruují na tlak 1,6 MPa, ovšem skutečný provozní tlak je řízen potřebou vstřikovacího zařízení motoru a pohybuje se od 0,3 do 1 MPa. Kromě LNG nádob a odpařovače je technologie LNG obdobná jako u CNG vozidel. (Šebor, 2006)
Obr. 9 LNG nádrže (Šebor, 2006) 24
4.3 LPG LPG (Liquit petroleum gas) zkapalněný zemní plyn je směs propanu a butanu, se třemi až čtyřmi uhlíky v molekule. LPG je bezbarvá, extrémně těkavá, hořlavá a výbušná látka mající charakteristický zápach. Toto palivo umožňuje dosáhnout velmi homogenní směsi paliva a vzduchu. Při běžných teplotách a tlakových podmínkách je směs v plynném stavu, ale působením poměrně malého tlaku se mění plynné skupenství na kapalné, v kapalném stavu zaujímá pouze 1/260 svého plynného objemu. Toho se využívá především pro skladování a přepravu. Tankování tohoto paliva je velmi jednoduché, dá se říci, že je téměř totožné jako tankování klasických motorových paliv. Síť čerpacích stanic LPG v ČR narůstá, v současné době jich je více než 580. Toto palivo si v automobilovém průmyslu našlo své místo především díky své nízké ceně a podstatně menším dopadům na životní prostředí. (Vlk, 2004) (Vlk, 2006) 4.3.1
Požadavky na LPG využívané pro pohon motorových vozidel K pohonu motorových vozidel provozovaných na pozemních komunikacích
v ČR je dovoleno používat plynné palivo v kvalitě odpovídající normě ČSN EN 589:2004. Požadavky této normy na LPG jsou uvedeny v tabulce 7. (Šebor, 2006) Tab. 7Kvalitativní parametry LPG stanovené normou ČSN EN 589:2004 (Šebor, 2006) Kvalitativní parametr Oktanové číslo OČMM Obsah dienů (%mol) Celkový obsah síry (mg/kg Sulfan Koroze na mědi (1h při 40°C) (stupeň koroze) Olejovitý zbytek (mg.kg-1) Tlak par při 40°C (kPa) Tlak par min. 150kPa při teplotě (°C) Třída A Třída B Třída C Třída D Třída E Obsah vody Zápach
Limitní hodnoty min. max. 89 0,5 50 negativní Třída 1
Příloha B normy EN 27941 EN 24260 EN ISO 8819 EN ISO 6221
100 1550 -10 -5 0 10 20 ° Při C žádná voda nepříjemný a typický při 20% spodní meze výbušnosti 25
Zkouší se podle
EN ISO 13757 EN ISO 4256
EN ISO 8973, přílohy C s D článek normy 6.5 článek 6.3 normy příloha A
Velký zájem o využívání LPG pro pohon motorových vozidel se začal rozmáhat v druhé polovině 80. let pro jeho velmi kvalitní vlastnosti, zejména vysokou antidetonační odolnost a vysokou výhřevnost. LPG poskytuje také velmi dobré předpoklady pro dosažení nižších emisí výfukových škodlivin oproti motorům na klasická paliva. Další vlastností LPG je menší hmotnostní podíl uhlíku v 1 kg paliva, u LPG (60/40) je to 0,825kg C, klasická kapalná paliva (benzín, nafta) mají v 1kg cca 0,86-0,87 kg C, což vede v optimalizovaném provedení plynového zážehového motoru k nižší produkci CO. (Vlk, 2004) Jedním z parametrů, který je značně ovlivněn složením LPG, je tlak par. Pro bezproblémové použití LPG především v zimních měsících je důležité, aby v plynové soustavě vozidla byl potřebný přetlak pro zajištění kontinuální dodávky paliva z nádrže do regulačního a dávkovacího členu v motorovém prostoru. Jedná se o nezbytný předpoklad funkce jednodušších systémů zástavby LPG ve vozidlech, která nejsou vybavena palivovým čerpadlem. Tlak v zásobníku je určen tlakem nasycených par LPG a je závislý pouze na složení a teplotě LPG, úroveň plnosti nádrže nemá na tlak žádný vliv. Vhodné složení LPG je dáno především obsahem propanu s bodem varu -42oC, který zaručuje, že při venkovní teplotě -20oC dosáhne jeho tlak
0,25MPa. Butan
s bodem varu přibližně 0oC vykazuje tlak při teplotách pod bodem mrazu menší než je tlak atmosférický. Pro zajištění dostatečného tlaku LPG v nádrži i v zimních měsících se proto může složení LPG měnit podle ročního období. Pro klimatické podmínky středního pásma se obvykle vyrábí letní směs s obsahem cca 40% propanu a zimní směs obsahující cca 60% propanu. (Šebor, 2006) Tab. 8 8Vlastnosti LPG v porovnání s automobilovým benzínem Natural BA 95N (Šebor, 2006)
Palivo BA 95 N Propan i.butan n-butan LPG (P/B = 60/40)
Antidetonační odolnost oktanové číslo 85 97
Hustota[kg.m-3] Kapal. Plyn. 760 510 1,96
Podmínky Výhřevnost skladování [Mj.kg-1] -10 +30 [bar] 43,5 1 46,3 3,5 0 11
92
95 111 99 96
580
2,95
47,7
0,75
3,0
95
105
540
2,21
4,06
2,50
8,3
26
4.3.2
Klady a zápory LPG LPG je velmi kvalitní palivo pro zážehové motory, má velké množství výhod
oproti klasickým palivům, mezi které patří lepší antidetonační vlastnosti, čistší spaliny, delší životnost motorového oleje, delší životnost motoru díky menším karbonovým usazeninám, tišší chod motoru, menší náklady na provoz, řidič si může vybrat, zda bude spalovat LPG nebo benzín. Oproti tomu má toto palivo i některé nevýhody, jako jsou menší výkon, což je v současné době eliminováno u přeplňovaných motorů, velká počáteční investice na pořízení a zabudování tohoto systému, povinnost navštěvovat pravidelné prohlídky, zmenšení zavazadlového prostoru. V současné době se často používají nádrže, které se umisťují místo rezervy. Nevýhodou tohoto řešení je, že se tím velmi omezí maximální velikost nádrže a tím i její kapacita a dojezd. 4.3.3
LPG technologie ve vozidlech Pokud se někdo rozhodne, že chce jezdit na LPG, může si vybrat, zda si koupí
vozidlo přímo od výrobce nebo si může nechat přestavět své stávající vozidlo. Obě varianty jsou založeny na totožném principu a skládají se z těchto součástí: Palivová nádrž: bývá zpravidla ocelová, válcového nebo toroidního tvaru. Válcové nádrže bývají o velikosti 45-110 litrů a toroidní 39-60 litrů. Tyto nádrže se zpravidla umisťují do zavazadlového prostoru popřípadě místo rezervního kola, kde musí být pevně ukotveny. Tyto nádrže bývají zkoušeny na přetlak 3MPa.(Vlk, 2004), (Vlk, 2006) Multiventil: víceúčelový ventil, který je pevně spojen s nádrží, plní provozní a bezpečnostní funkci. Má za úkol zajistit plnění nádrže maximálně na 80%, ukazovat stav paliva, zastavit tok paliva v případě poruchy (únik paliva je rychlejší než 6 l.min-1) a vypouštět palivo při tlaku větším než je 2,5 MPa do prostoru pod vozem. (Vlk, 2004) Plynotěsná schránka: slouží k zajištění hermetického oddělení multiventilu a jeho připojovacích prvků od kabiny. Přetlakový ventil odpustí plyn přes plynotěsnou schránku vždy, když je přetlak vyšší než 2,5 MPa. (Vlk, 2006) Elektromagnetický ventil: jeho úkolem je uzavřít přívod LPG v případě provozu na benzín a vypnutého zapalování. V případě, že není ventil pod napětím, je uzavřen. Výparník: často také nazývaný jako reduktor má za úkol přeměnu LPG z kapalného skupenství na plynné a regulaci tlaku.
27
Zařízení sloužící k regulaci bohatosti směsi: u starších karburátorových systémů se regulovalo regulačním šroubem. Nastavení probíhalo pro volnoběžné otáčky a provozní zatížení motoru. Toto nastavení nebylo možné během jízdy měnit. Další možností, jak regulovat bohatost směsi, je za pomoci servomotoru, který je ovládán řídící jednotkou. Nejmodernějším řešením je za pomoci elektronických vstřikovačů, které pracují rovněž na základě signálů z řídící jednotky, ale umožňují přesnější dávkování paliva. Směšovač: slouží k zajištění optimálního promíchání směsi. Přepínací modul: bývá umístěn v zorném poli a dosahu řidiče. Umožňuje volbu druhu paliva (benzín – LPG). Bývá doplněn o signalizační zařízení, pomocí kterého je možné poznat, na jaké palivo právě jedeme a stav plnosti zásobníku paliva. Teplotní čidla: slouží ke snímání teploty chladicí kapaliny. Na základě tohoto signálu je dále rozhodováno o přepnutí paliva. Plnicí hrdlo: obvykle bývá umístěno na vnější části karoserie, slouží k plnění palivové nádrže. U přestavovaných vozidel s benzínovým pohonem na LPG zůstane původní palivová soustava nadále v provozu a je kdykoliv možné ji používat. Při startu je používána vždy, tato funkce je řízena automaticky pomocí řídící jednotky. V případě použití LPG jsou nejvíce rozšířeny tyto tři základní systémy, a to jak v případě přestavby, tak v případě prvovýroby: Systém s centrálním směšovačem: je to nejstarší, nejlevnější a nejjednodušší systém určený pro motory s karburátorem. Tento systém je založen na principu mechanické regulaci bohatosti směsi pomocí membrány a je řízen na základě podtlaku v sacím potrubí. V případě, že se jedná o systém určený do vozidla s katalyzátorem a elektronicky řízenou přípravou směsi paliva, je nutné zařízení doplnit o řídící jednotku a ventil s krokovým motorkem řídícím množství plynu proudící do směšovače. Systém kontinuálního vstřikování: tento systém se využívá u novějších automobilů. Je velmi podobný běžnému vstřikování benzínu. Palivo je vstřikováno pro každý válec zvlášť před sací ventil. Princip tohoto systému je stejný jako u podtlakového systému (je využíván výparník s redukcí tlaku), dále putuje plyn z výparníku do tzv. distributoru a
28
následně k jednotlivým tryskám. Dávkování obstarává distributor, který je řízen elektronickou jednotkou. Systém sekvenčního vstřikování: tento systém je charakteristický velmi přesným dávkováním paliva. Reduktor plní stejnou funkci jako u předchozího systému. Velký důraz je však kladen na vstřikovací trysky, které jsou opatřeny dávkovacími elektrickými ventily, které zajišťují přesné dávkování do jednotlivých válců. Řídící jednotka tohoto systému spolupracuje s řídící jednotkou motoru a snímá signály pro benzínové vstřikovače, které následně přepočítává na odpovídající dávku LPG.
Obr. 10 Schéma plynové zástavby se sekvenčním vstřikováním. (Šebor, 2006) 1-reduktor, 2-čidlo teploty chladicí kapaliny, 3-filtr LPG, 4-vstřikovací lišta, 5vstřikovací trysky, 6- řídicí jednotka LPG, 7-snímač tlaku v sání vozidla, 8-přepínač paliva, 9-plnící hrdlo, 10-multiventil, 11-nádrž.
5 Paliva získaná z biomasy Výroba paliv z obnovitelných zdrojů je motivována především snahou najít náhradu za fosilní paliva v důsledku jejich vyčerpatelnosti. Tuto snahu velmi motivuje EU směrnicí Evropského parlamentu 2009/28/ES ze dne 23. dubna 2009. Dle této směrnice má být dosaženo 20% podílu energie z obnovitelných zdrojů a 10% podílu energie z obnovitelných zdrojů v dopravě na spotřebě energie z obnovitelných zdrojů do roku 2020. (Souček, 2011) 29
5.1 Alkoholová paliva Z alkoholových paliv se používá etanol a metanol. Etanol se v současné době vyžívá běžně jako náhrada či přísada do benzínu. Největší zkušenosti s těmito palivy u zážehových motorů má Brazílie díky svým programům. Například program Proalcohol, ve kterém je uvedeno, že palivo pro zážehové motory musí obsahovat 26 až 30% etanolu. Dále platí především v brazilských městech program MEG, který stanovuje, že palivo pro zážehové motory je tvořeno 60% etanolu, 33% metanolu a7% benzínu. V USA byl uveden program Gasohol, ve kterém je stanoveno 10% etanolu a 90% benzínu nebo 3% metanolu a 97% benzínu. Dále se ve Spojených státech prodává jako směs M85, toto palivo je tvořeno z 85 % metanolem a 15 % běžným benzínem. V České Republice je běžně k sehnání palivo, které je prodáváno pod názvem E 85 a je tvořeno z 85 % etanolem a 15 % benzínem. (Vlk, 2004), (Vlk, 2006) Obě výše uvedená paliva mají tu výhodu, že je možné je vyrábět dvěma způsoby, a to fermentací a synteticky. V případě fermentace se jedná o výrobu paliva z obnovitelných surovin, které jsou stále rostoucí na zemském povrchu. Pokud se jedná o výrobu synteticky, pak přichází v úvahu jak suroviny z obnovitelných zdrojů tak i z fosilních paliv. Tab. 9 Porovnání hlavních parametrů alkoholových paliv s benzínem (Bronislav, 2007) Parametr Obsah kyslíku (%) Bod varu (°C) Výhřevnost (MJ.kg-1) Stechiometrický poměr Oktanové číslo VM 5.1.1
Metanol 50 65 19,9 6,45:1 109
Etanol 34,8 78 26,8 9:01 109
Benzín 2,7 35-200 42,7 14,6:1 90-100
Etanol Etylalkohol někdy také nazývaný jako etanol či líh CH3-CH2-OH. Jedná se o
palivo vyráběné kvašením a následnou destilací ze surovin obsahující celulózu, cukr a škrob. Ve světě je nejrozšířenější výroba etanolu z cukrové třtiny, v našich podmínkách je možné k výrobě využít obiloviny, brambory a cukrovou řepu. Etanol jako palivo je možné použít jak v určitém poměru s klasickým benzínem, tak po určitých konstrukčních úpravách samostatně. Základní parametry tohoto paliva jsou uvedeny v tabulce 8.
30
5.1.2
Výhody a nevýhody etanolu používaného jako palivo ve vozidlech
Výhody: •
Etanol je jako palivo dokonaleji spalován oproti klasickým palivům.
•
Použití etanolu nám umožní vyšší otáčky a výkon motoru.
•
Je ekologičtější a vykazuje nižší emise.
•
Ze sociálního hlediska vytváří jeho výroba nové pracovní příležitosti a omezuje závislost na ropě.
Nevýhody: •
Etanol způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů.
•
Odstraňuje oleje.
•
Má špatný vliv na pryžové části palivové soustavy.
•
Etanol má nižší výhřevnost, což se projeví na větší spotřebě paliva.
5.1.3
Výroba etanolu
Obr. 11 Schéma postupu při výrobě etanolu z cukrové řepy (Šebor, 2006) V případě výroby etanolu z cukrové řepy je řepa rozmělněna, cukry následně odděleny vypírkou vodou a zkvašeny ve fermentoru za pomoci působení kvasinek. Po skončení fermentace přijde na řadu destilace, což je proces, při kterém proběhne proces oddělení bioetanolu od prokvašené zápary. Odpadem z tohoto procesu je dužina a melasa, která se následně využívá jako krmivo pro dobytek. Postupem let bylo zjištěno, že z jednoho hektaru osetého cukrovou řepou je možné získat až 5000 litrů etanolu. V České republice je v provozu od října roku 2006 lihovar společnosti Agroetanol TTD a.s., který od ledna roku 2009 dodává jako první výrobce ve střední a východní Evropě biopalivo prodávané pod značkou E85 na český trh s výrobní kapacitou 1000 000 m3. (Anonym, 2012), (Vlk, 2004), (Šebor, 2006) 31
5.1.4
Metanol Metanol či metylalkohol je palivo, které je možné vyrobit jak z biomasy, tak
z některých fosilních paliv (zemní plyn, uhlí). Velkou nevýhodou při výrobě metanolu z biomasy je fakt, že jeho cena při této výrobě asi dvojnásobná oproti syntetické výrobě ze zemního plynu. Metanol je možné použít též k výrobě benzínu, ovšem celý tento proces probíhá s vysokou energetickou ztrátou, a proto se neprovádí. Metanol je čistá kapalina bez zápachu mající špatný vliv na lidský organismus, která se v přírodě vyskytuje velmi zřídka, jejíž vlastnosti jsou popsány v tabulce 9. (Vlk, 2004), (Vlk, 2006) 5.1.5
Výhody a nevýhody metanolu používaného jako palivo ve vozidlech
Výhody: •
Metanol je méně prchavý oproti klasickému motorovému benzínu, což má za následek jednodušší manipulaci a vyšší bezpečnost v případě nehody.
•
Velkou výhodou je jeho rozpustnost ve vodě, což velmi významně usnadní práci v případě hašení požáru.
Nevýhody: •
Obrovskou nevýhodou je toxicita.
•
Metanol způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů.
•
Odstraňuje oleje.
•
Plamen metanolu je neviditelný, což se odstraňuje nízkým přídavkem benzínu.
•
Horší startovatelnost při nízkých teplotách.
•
Negativní vliv na pryžové části palivové soustavy.
•
Metanol má nižší výhřevnost, což má za následek vyšší spotřebu paliva
5.1.6
MTBE a ETBE Metyl-terciální-butyl eter (MTBE) a etyl-terciální-butyl eter (ETBE) jsou
nepostradatelnou součástí automobilových benzínů. Důvodem, proč se používají, je zvýšení antidetonační odolnosti paliva a nahrazení nyní zakázaného tetraolova, které bylo zdraví škodlivé. Výroba těchto éterů se provádí podobným způsobem, a to reakcí buď etanolu, nebo metanolu s nenasyceným plynným uhlovodíkem isobutem v přítomnosti kyselého katalyzátoru. Výhodou těchto éterů je vysoké oktanové číslo a snadná mísitelnost s automobilovými benzíny. 32
5.2 Bioplyn Bioplyn je plynná směs metanu 55 až 75 %, oxidu uhličitého 25 až 40 % a dalších složek organického či anorganického původu zastoupených v minoritním množství 1 až 3 % (vodík, dusík, sirovodík). Surovin, ze kterých je možné vyrábět bioplyn, je celá řada, nejvíce se ovšem využívají odpady z živočišné výroby a rostlinné zbytky, popřípadě cílevědomě pěstované rostliny a komunální odpad. Existují dvě varianty výroby bioplynu, a to mokrá a suchá. V případě mokré varianty se bioplyn vyrábí ze zbytkové biomasy za přítomnosti vody v bioreaktorech (fermatorech). Suchou variantou se vyrábí bioplyn ve skládce tuhých odpadů. (Vlk, 2004), (Šebor, 2006) 5.2.1
Podmínky pro používání bioplynu v dopravě Aby bylo možné používat bioplyn jako palivo pro motorová vozidla, je nutné
dokonale odstranit všechny nežádoucí složky a příměsi jako oxid uhličitý, sirovodíky a dusík tak, aby kvalita bioplynu odpovídala parametrům pro zemní plyn (obsah metanu nad 95%). Po splnění těchto předpokladů je toto palivo využíváno stejně jako zemní plyn i s jeho výhodami a nevýhodami. (Vlk, 2006), (Šebor, 2006)
6 Vodík Vodík je nejhojnější prvek vyskytující se v nám známém vesmíru, na Zemi se vyskytuje rovněž ve velkém množství, ale díky své chemické reaktivitě bohužel ve většině případů ve formě sloučenin. Je to bezbarvá látka bez zápachu, která je klasifikována jako extrémně hořlavá, z tohoto důvodu je velmi důležité nakládat s vodíkem velmi opatrně a při manipulaci s ním dbát na určité požadavky. Vodík je jako palivo velmi ekologické, neboť při jeho spalování vzniká jako vedlejší produkt pouze voda NOx. Co se týká zdravotních účinků na člověka, je vodík z toxického hlediska netečný plyn, který může způsobit zadušení a to pouze za předpokladu, že sníží obsah kyslíku ve vzduchu, který člověk vdechuje. Vodík je látka, která má ze všech látek největší obsah energie na jednotku hmotnosti. Jeho spalné teplo je 141,85 MJ.kg-1, což je 2.5krát více než u metanu, který má 55,55 MJ.kg-1. Na vzduchu je vodík velice lehce zápalný, při smíchání se vzduchem tvoří výbušnou směs ve velmi širokém rozmezí (4–95 % objemu vodíku v kyslíku, 4–77 % objemu vodíku ve vzduchu). Výbušné bývají také směsi vodíku s fluorem či chlorem. (Šebor, 2006)
33
Do České republiky je vodík dodávaný dle ČSN 64 4435 ve třech variantách, které jsou podle svého složení označeny jako vodík 3.0, vodík 4.0 a vodík 5.0. (Šebor, 2006) Tab. 10 Základní kvalitativní parametry vodíku dle ČSN 65 4435 (Šebor, 2006) Znak jakosti 3.0 4.0 5.0 Minimální obsah vodíku (% objemu) 99,9 99,99 99,999 -3 Maximální obsah kyslíku (ml.m ) 50 5 2 Maximální obsah dusíku (ml.m-3) 500 55 3 Maximální obsah vody (ml.m-3) 100 20 5 o Rosný bod ( C) -42 -55 -66 Tab. 11 Vybrané fyzikální a chemické vlastnosti vodíku (Šebor, 2006) Parametr
Parametr Hustota kapalné fáze při -259,2 °C a 0,1 MPa (kg.m-3) Hustota plynné fáze při 20 °C a 0,1 MPa (kg.m-3) Bod varu (°C) Bod tání (°C) Objem při 20oC a 0,1 MPa (kg.m-3) Objem při -259,2 °C a 0,1 MPa (kg.m-3) Spalné teplo kapalné fáze (MJ . kg-1) Spalné teplo plynná fáze (MJ . m-3) Výhřevnost kapalné fáze (MJ . kg-1) Výhřevnost plynná fáze (MJ . m-3) Dolní mez výbušnosti s kyslíkem (% objemu) Horní mez výbušnosti s kyslíkem (% objemu) Dolní mez výbušnosti se vzduchem (% objemu) Horní mez výbušnosti se vzduchem (% objemu) Teplota samovznícení (°C) Barva Zápach
Hodnota 70,8 0,0833 -252,8 -259,2 11,9 0,014 141,86 12,75 120,05 10,79 4 95 4 75 585 Bezbarvý Bez zápachu
6.1 Výroba vodíku Jelikož je vodík látka velmi snadno chemicky reaktivní, vyskytuje se velmi málo jako samostatný prvek, ale většinou ve formě sloučenin. Tento fakt nám prakticky znemožňuje vodík těžit, jako je tomu například u zemního plynu či ropy, a nutí nás vydat se cestou jeho výroby. Existuje mnoho možností výroby z mnoha zdrojů. Současné technologie produkující vodík jsou petrochemické procesy, především parní reforming zemného plynu a parciální oxidace ropných zbytků. V budoucnosti se počítá s výrobou vodíku zplyňováním biomasy a z vody za pomoci elektrolýzy. Bohužel je 34
výroba elektrolýzou za použití klasických zdrojů velmi nákladná, jelikož oproti fosilním palivům a biomase, voda neobsahuje téměř žádnou energii a elektrolyticky vyrobený vodík je tedy pouze nosič energie do tohoto procesu vložené. (Matějovský, 2005) V současné době je nejefektivnější parní reforming zemního plynu, který má účinnost až 80%. Tento proces tvoří dvě fáze, v první fázi se za přítomnosti katalyzátoru do vodní páry o teplotě 500 až 950 °C a tlaku 0,3 až 0,5 MPa přivádí metan. Směs metanu a vodní páry reaguje v reforméru a vzniká vodík, oxid uhelnatý a malý podíl oxidu uhličitého. Následuje druhá část, při které probíhá navyšování produkovaného vodíku konverzí oxidu uhelnatého s dodanou párou. (Bouzek, 2012) 1. reformní reakce: CH4 + H2O → CO + 3H2 2. konverze CO: CO + H2O → CO2 + H2
6.2 Vodík využívaný jako palivo ve vozidlech Základním předpokladem, aby bylo možné sériové používání vodíku v dopravě, je výrazné snížení jeho ceny. Možnost použití vodíku v dopravě je dvojího druhu a to: •
jako palivo pro spalovací zážehové motory buď samostatně, nebo v kombinacích s jinými palivy,
•
jako možnou surovinu pro reakci probíhající v palivových článcích, které generují elektrickou energii, která je dále využívána pro pohon vozidla.
Obr. 12 BMW série 7 s pohonem na vodík (Anonym, 2007) 35
Na vodík je možné provozovat speciálně upravené pístové spalovací motory, které principielně pracují jako klasické zážehové motory na klasická konvenční paliva. Rozdíly se týkají převážně skladování vodíku, přípravy směsi paliva a řízení spalovacího procesu tak, aby bylo možné zajistit optimální podmínky hoření při velmi vysoké rychlosti hoření a vysoké výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Existuje několik variant motorů provozovaných na vodík. Tyto motory se liší především přípravou směsi paliva vodíku a vzduchu, jelikož především ta ovlivňuje důležité provozní parametry. K přípravě směsi paliva je možné použít některou z těchto následujících variant: •
přívod plynného vodíku do sání za pomoci směšovače,
•
vefukováním stlačeného plynného vodíku do saní elektricky ovládanými ventily,
•
vefukováním stlačeného plynného vodíku přímo do spalovacího prostoru elektronicky ovládanými ventily,
•
vstřikováním zkapalněného vodíku přímo do spalovacího prostoru elektronicky ovládanými ventily. Nejvhodnější variantou je přivedení vodíku přímo do spalovacího prostoru
během kompresního zdvihu, díky čemuž je možné eliminovat zapálení směsi paliva v sacím traktu.
Obr. 13 Detail přímého a nepřímého vstřikování vodíku (Anonym, 2012)
36
7 Všeobecný přehled základních vlastností, výhod a nevýhod paliv pro zážehové motory Existuje celá řada paliv pro zážehové spalovací motory. Tato paliva mají určité klady a zápory, ovšem všechna by měla splňovat alespoň tyto základní požadavky: •
Vysokou výhřevnost.
•
Nízkou toxicitu a reaktivitu.
•
Co nejmenší obsah nespalitelných podílů.
•
Nízkou cenu.
•
Chemickou stabilitu.
•
Pokud možno co nejnižší nebo žádná agresivita vůči všem dílům palivové soustavy.
•
Nízký podíl polutantů s environmentálními riziky.
Tab. 12 Souhrnná tabulka vlastností paliv (Matějovský, 2005) Vlastnost
Benzín
LPG
Vodík Etanol (kapalná fáze)
CNG
LNG
Metanol
0,15
0,4-0,42
796
794
70
Hustota (kg.m-3) při 15°C
720-777 510-580
Výhřevnost (MJ.kg-1)
42-43,5
46
50
22,2
19,9
26,8
120,05
Teplota vznícení (°C) OČ VM
450
460
650
520
450
420
585
91-100
cca 100
130
130
109
109
60
OČ MM
82-90
91
-
-
-
-
-
15
17,2
17,2
6,5
9
34,5
84
74,25
74,25
37,5
52,2
-
16
24,75
24,75
12,5
13
99,9
0
0
0
50
18,2
-
pod 100
-183
-183
-97,7
-114,1
-
λ 14,7 (vzduch/palivo) Obsah uhlíku 85,5 (% hm) Obsah vodíku 14,5 (% hm) Obsah kyslíku až 2,7 (% hm) Bud tuhnutí pod -45 ( °C)
37
7.1 Výhody a nevýhody jednotlivých paliv Zemní plyn Výhody: •
Vozidla provozovaná na zemní plyn produkují podstatně méně škodlivin (signifikantně CO2) než vozidla provozovaná na ropná paliva.
•
Provoz na zemní plyn je podstatně bezpečnější, neboť nádrže pro zemní plyn jsou podstatně odolnější než nádrže na klasická paliva.
•
Při provozu vozidel na zemní plyn jsou výrazně menší provozní náklady.
Nevýhody: •
Vysoké náklady spojené s přestavbou vozidla a investicemi do čerpacích stanic.
•
Přestavba je spojena s montáží nádrže na zemní plyn, která se zpravidla u osobních automobilů umísťuje do zavazadlového prostoru, což má za následek zmenšení jeho užitného objemu. U autobusů může mít zástavba na střechu negativní dopad na stabilitu vozidla.
•
Nedostatečná infrastruktura v ČR.
Propan butan LPG Výhody: •
Vyšší oktanové číslo a z toho plynoucí vyšší odolnost proti rozvoji detonačního hoření.
•
Nižší produkce škodlivin ve spalinách.
•
Nižší míra degradace motorového oleje a jeho delší životnost.
•
Větší životnost motoru, díky menším karbonovým usazeninám.
•
Tišší chod motoru související s hlukem spalování.
•
Menší náklady na provoz.
•
Řidic si může vybrat, na které palivo právě pojede.
Nevýhody: •
U některých systémů řízení motoru lze pozorovat snížený výkon motoru.
•
Velká počáteční investice.
38
•
Nutnost častějších návštěv pravidelných prohlídek a kontrol.
•
Zmenšení zavazadlového prostoru.
Etanol Výhody. •
Využití výparného tepla zvyšuje efektivitu naplnění válce.
•
V porovnání s ropnými palivy má vyšší oktanové číslo.
•
Nižší tvorba některých složek emisí.
•
Ze sociálního hlediska vytváří jeho výroba nové pracovní příležitosti a omezuje závislost na ropě.
Nevýhody: •
Etanol způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů.
•
Odstraňuje oleje.
•
Má velmi špatný vliv na pryžové části palivové soustavy.
•
Etanol má nižší výhřevnost, což má za následek větší spotřebu paliva.
•
Horší startovatelnost při nízkých teplotách.
Metanol Výhody. •
Metanol je méně prchavý oproti klasickému motorovému benzínu, což má za následek jednodušší manipulaci a vyšší bezpečnost v případě nehody.
•
Velkou výhodou je jeho rozpustnost ve vodě, což velmi významně usnadní práci v případě hašení požáru.
Nevýhody: •
Nevýhodou je toxicita.
•
Metanol způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů.
•
Odstraňuje oleje.
•
Plamen metanolu je neviditelný, což se odstraňuje nízkým přídavkem benzínu.
•
Horší startovatelnost při nízkých teplotách.
•
Negativní vliv na pryžové části palivové soustavy.
•
Metanol má nižší výhřevnost, což má za následek vyšší spotřebu paliv.
39
Bioplyn Výhody a nevýhody bioplynu jsou takřka stejné jako u vozidel provozovaných na LPG, jedinou další nevýhodou je nutnost vyčistit bioplyn na hodnoty propan-butanu. Vodík Výhody. •
Vodík je ekologické palivo.
•
Díky širokému rozmezí zápalnosti vodíku se vzduchem je možné spalování velmi chudých směsí.
•
Při spalování vodíku se netvoří žádné CO a CO2.
Nevýhody: •
Velikou nevýhodou je vysoká reaktivita vodíku s kyslíkem což zvyšuje požadavky na palivovou soustavu, čerpací stanice, samotné tankování a uskladnění vodíku ve vozidle.
•
Díky vysoké rychlosti hoření a rychlosti šíření tlaku ve spalovacím prostoru je obtížné řízení motoru a jsou kladeny vyšší nároky na mechanické prvky motoru.
•
Vysoká produkce Nox
•
Velmi vysoká cena vodíku.
•
Velmi vysoká cena úpravy vozidla na vodík a zavedení vodíku do infrastruktury.
8 Vlastní práce 8.1 Cíl měření Cílem tohoto měření bylo zjistit závislost parametrů zážehového motoru při změně oktanového čísla paliva. Navrhnout metodiku měření a provést měření základních parametrů motoru. Změna oktanového čísla paliva byla provedena za pomoci použití dvou různých paliv o různých oktanových číslech, a to palivem natural 95 a etanol E 85. Toto měření probíhalo na zkušebně Mendelovy univerzity v Brně na zážehovém šestiválcovém motoru francouzské automobilky Peugeot PRV V6. Parametry pro jednotlivá paliva byly naměřeny samostatně při plné dávce paliva a maximálním otevření škrticí klapky.
Pro objektivní komparaci obou paliv bylo
využito otáčkových charakteristik. 40
8.2 Specifikace měřeného motoru Zkoušeným objektem byl motor francouzské automobilky Peugeot PRV V6. Jedná se o vidlicový šestiválec, který byl vyvinut pod taktovkou Peugeotu, Renaultu a Volva, odtud plyne označení PRV. Tento motor byl používán v různých modifikacích mezi lety 1974 – 1998. Tab. 13 Základní parametry měřeného motoru Parametr
Hodnota PRV V6 Zážehový Peugeot 6 Do V 24
Jednotka ks ks
Úhel sevřená válců Vrtání Zdvih
60 87 66
o
mm mm
Zdvihový objem Plnění Kompresní poměr Pořadí zapalování Maximální Výkon
0,00294618 atmosférické 8,2 163524 148
m3 KW
Typ Výrobce Počet válců Uspořádání válců Počet ventilů
Obr. 14 Zkoušený motor připojený na měřícím dynamometru 41
8.3 Specifikace měřícího stanoviště Veškerá měření proběhla na motorové zkušebně Mendelovy univerzitě v Brně koncipované jako výukové pracoviště studentů této univerzity. Celek této zkušebny tvoří následující části: •
Vířivý dynamometr AVL DP-240 s následujícími vlastnostmi: Tab. 14 Parametry vířivého dynamometru Parametr Výrobce Typ
Hodnota Jednotka AVL DP-240 -
Maximální brzdný výkon při 10 000 min -1 Sériové číslo Maximální točivý moment
240
KW
10330
Nm
600
Nedílnou součástí dynamometru jsou tyto části, které zajišťují jeho podporu: o Vodní hospodářství. o Palivové hospodářství mající na starost rozvody paliv a maziv. o Vzduchotechnika brzdového stanoviště i s rozvody vzduchotechnických kanálů. o Hospodářství výfukových spalin s ventilátorem mající příkon 75 kW. •
Systém řízení brzdového stanoviště s navazujícími obslužnými systémy.
•
Systém řízení zkoušek motorů starající se o měření a sběr dat, dále o vyhodnocení naměřených dat včetně rozvaděče a následných rozvodů kabelů.
•
Zhášecí protipožární systém včetně havarijní signalizace.
•
Ventilace a vytápění prostor s těmito technologiemi.
•
Pracoviště techniků neboli velín s příručním skladem sloužící pro zajištění chodu brzdového stanoviště. Velín je prostor zkušebny, který musí splňovat požadavky pro případný
dlouhodobý pobyt obsluhy. Technologie celé zkušebny jsou ovládány pomocí příslušného softwaru z velínu. Toto řízení je rozděleno na sytém ovládající dynamometr a systém ovládající technologie budovy. Regulace buzení dynamometru pracuje s časovou bází 10 ms, což znamená, že dynamometr je schopen reagovat na případnou 42
změnu 100krát do sekundy. undy. Celá zkušebna v sobě ukrývá řádověě desítky analogových a stovky digitálních snímačů. snímačů Ty následně komunikují na základěě klasických sítí jako CAN-BUS, LIN,, TTCAN, MOST, FlexRay atp. Velín motorové zkušebny Mendelovy Me univerzity v Brněě je osazen čtyřmi monitory, přičemž každý z nich slouží pro určitý ur účel: •
První monitor slouží pro zobrazení konzole přistupující p přes řes sběrnici sbě RS 232 do řídící ídící jednotky Magneti Marelli SRA.
•
Druhý monitor slouží k parametrizování vlastní zkoušky. Prakticky je možné říci, že se jedná o mozek systému řízení ízení dynamometru a celého obslužného hospodářství.
•
Třetí etí monitor slouží pro zobrazení všech měřených ených dat a veličin velič jako je tlak, teplota atp.
•
Monitor 4 má na starost ovládání vzduchotechniky, chlazení, ovládání paliva a jiné podobné obné technologie.
elín motorové zkušebny Mendelovy univerzity v Brně Obr. 15Velín 43
Obr. 16 Palivová mapa pro palivo E85
Obr. 17 Palivová mapa pro palivo Natural 95
8.4 Metodika měření 8.4.1
Příprava měřícího pracoviště Před spuštěním zkoušky bylo třeba zkontrolovat upevnění všech pevných částí,
provést kontrolu přívodu paliva, přívodu chladicí kapaliny, kontrolu oleje, kontrolu proudění chladicí kapaliny k dynamometru, kontrolu nulové polohy měřiče točivého momentu a také úplnost a připojení snímačů.
44
8.4.2
Postup měření •
Motor byl zahřán na provozní teplotu.
•
Následně proběhlo nastavení na první měřící bod.
•
Po ustálení chodu motoru byly odečteny hodnoty.
•
Následně bylo provedeno nastavení dynamometru na další měřící bod a opět odečteny hodnoty.
•
Nastavení dynamometru bylo měněno po 500 min-1 tak, že první měřící bod byl v hodnotě 1500 min-1 a poslední 6000 min-1.
•
Při měření jednotlivých bodů se nesmělo měnit jakékoliv nastavení.
•
Odečítání měřených hodnot probíhalo v jednom okamžiku.
•
Po odměření všech bodů se motoru snížily otáčky, nechal se vychladit a vypnul se.
Snímání měřených dat smělo započít teprve v případě, že točivý moment, otáčky a teplota zůstaly konstantní minimálně po dobu jedné minuty. Bylo důležité, aby se otáčky během zkoušky neodchylovaly od zvolených otáček o více než ± 1 % nebo ±10 min-1. Snímání dat měření snímače síly, spotřeby paliva a teploty nasávaného vzduchu muselo být prováděno pokud možno současně, přičemž hodnota musela představovat pro každou veličinu průměr ze dvou stabilizovaných za sebou následujících hodnot, které se nesměly u brzdné váhy a spotřeby paliva odchylovat navzájem o více než 2%. Následující snímání hodnot proběhlo přibližně 1 minutu po předchozím snímání bez jakékoliv změny nastavení motoru. Měřící systém točivého momentu dynamometru musel pracovat v potřebném rozsahu měření s přesností ± 1 %, otáčky motoru byly snímány s přesností měřicího systému ± 0,5 % a měřící systému průtoku paliva pracoval s přesností ±1 %. Teplota nasávaného vzduchu motorem byla měřena 0,15 m proti proudu od sacího otvoru vzduchu, při čemž bylo důležité, aby byl měřící termočlánek nebo teploměr chráněn před vyzařovaným teplem a byl umístěn přímo v proudu nasávaného vzduchu. Hodnota teploty chladicí kapaliny v místě výstupu z motoru musela ležet v rozmezí ± 5 K od horní hodnoty výrobcem udávané regulované teploty. V případě, že by výrobce neuvedl žádnou konkrétní hodnotu, musela by být teplota (363 ± 5) K. Systém pro měření teploty nasávaného vzduchu a teploty chladicí kapaliny pracoval s přesností ± 2K. Měření teploty paliva probíhalo co nejblíže vstupu vstřikovacího ventilu, přičemž teplota byla udržována v rozmezí ± 5 K od hodnoty udávané 45
výrobcem, v případě, kdyby výrobce neurčil žádnou teplotu zkušebního vzorku, pak by tato hodnota byla (298 ± 5) K, ovšem nejnižší přípustná hodnota teploty zkoušeného paliva musela být minimálně stejná jako teplota okolí. Měření teploty mazacího oleje probíhalo v místě vstupu oleje do hlavního olejového kanálu. V případě, že by nebylo možné udržet výrobcem udávanou hodnotu, bylo možné využít přídavný systém chlazení oleje. Měření protitlaku ve výfukovém systému probíhalo v bodě, který byl vzdálen nejméně ve vzdálenosti od příruby (přírub) výfuku rovné trojnásobku průměru trubky. Přesnost měřícího systému pro tlak výfukových plynů byla ± 200 Pa. Pokles tlaku v sání byl měřen po proudu vstupního vedení, přičemž přesnost měřícího systému pro snížení tlaku v sacím systému byla v rozmezí ± 50 Pa. Měření absolutního přetlaku na vstupu do motoru probíhalo po proudu od vstupu, snímač tlaku byl umístěn ve sběrném potrubí sání s předpokladem, že přesnost měřícího systému pro absolutní tlak v sacím systému byla ± 2 %. Měření tlaku okolního prostředí proběhlo s přesností měřícího systému ± 100 Pa. Pro správný průběh zkoušky byla pomocná zařízení potřebná k provozu motoru v jeho plánovaném použití nainstalována na zkušebním stanovišti pokud možno ve stejné poloze, jako budou nainstalovány v budoucím užívání. Příslušenství, které je určené pouze pro potřeby vozidla a nikoliv pro potřebu motoru, a přesto je na něm nainstalováno, bylo potřeba před zkouškou odstranit. Mezi tato zařízení patří například: •
Čerpadlo posilovače řízení.
•
Kompresor klimatizace.
•
Kompresor pérování
V případě, že by bylo takové příslušenství nemožné odstranit, je možné výkon odebíraný tímto nezatíženým příslušenstvím k naměřenému výkonu motoru opět následně přičíst. (Ščerba, a další, 2011)
8.4.3
Atmosférické podmínky zkoušky Tab. 15Atmosférické podmínky zkoušky Parametr Relativní vlhkost vzduchu
Hodnota Jednotka 57 %
Teplota Vzduchu Barometrický tlak
15,8 0,988
46
o
C bar
8.5 Vyhodnocení měření a diskuze V následujících tabulkách 16 a 17 jsou uvedena naměřená data z jednotlivých měření pro obě paliva a to Natural 95 a E 85. Tab. 16 Data naměřená na Natural 95 Otáčky motoru [1.min-1] 1499,83 1999,91 2500,21 3000,58 3501,05 3999,08 4499,34 4999,18 5499,77 5999,84
Moment motoru [Nm] 221,00 219,00 234,00 235,00 245,00 273,00 271,00 262,00 252,00 240,00
Výkon motoru [kW] 34,70 45,90 61,30 73,80 89,80 114,30 127,60 137,10 145,10 150,70
Teplota výfuk [°C]
Spotřeba paliva (kg/h)
mpe [g.kW-1.h-1]
532,92 575,47 619,74 653,89 690,24 729,85 772,34 797,70 816,12 823,94
9,80 12,97 16,63 20,06 25,22 32,34 36,75 40,58 43,27 46,42
282,42 282,57 271,29 271,82 231,85 282,94 288,01 295,99 298,21 308,03
Teplota výfuk [°C]
Spotřeba paliva (kg/h)
mpe [g.kW-1.h-1]
472,37 518,66 581,83 616,95 653,52 697,59 737,31 769,75 794,72 800,58
13,44 18,18 22,86 27,97 34,33 43,99 48,85 52,83 56,38 60,59
387,75 389,47 370,43 372,95 370,81 368,57 367,82 373,92 374,35 391,03
Tab. 17 Data naměřená na E85 Otáčky motoru [1.min-1] 1500,10 2000,15 2499,45 3000,63 3499,81 3999,74 4500,10 4999,37 5499,87 6000,41
Moment motoru [Nm] 220,66 222,78 235,88 238,69 252,31 284,96 281,13 270,44 260,96 246,79
Výkon motoru [kW] 34,66 46,69 61,71 74,99 92,58 119,36 132,82 141,29 150,61 154,95
47
Točivý moment 300 290 280 270
Mt[N.m]
260 250 240 230 220 210 200 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n [ min-1] N95
E85
Graf. 1 Grafické znázornění točivého momentu V grafu číslo 1 je graficky znázorněn průběh točivého momentu motoru v závislosti na otáčkách motoru n pro obě měřená paliva. Za použití paliva Natural 95 se točivý moment pohyboval v rozmezí 219 až 273 N.m, přičemž nejvyšší hodnoty 273 N.m bylo dosaženo při otáčkách 3999 min-1. Při zkoušce na E 85 se točivý moment pohyboval v rozmezí 220.6 až po 284,96 N.m. Nejvyšší hodnoty bylo dosaženo při otáčkách 4000 min-1. Jak je z průběhu grafu patrné, největšího rozdílu mezi točivými momenty bylo dosaženo při otáčkách motoru 4000 min-1, tedy v bodě, ve kterém křivky momentů dosahují svého maxima. Tento rozdíl činí 11,94 N.m .
48
Výkon 180 160 140
P [kW]
120 100 80 60 40 20 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n [ min-1] N95
E85
Graf. 2Grafické znázornění výkonu Dalším velmi sledovaným parametrem je výkon motoru. V druhém grafu je vykreslena jeho závislost na otáčkách motoru n pro obě měřená paliva. Při měření na Natural 95 byl nejmenší výkon 34,7 kW při otáčkách 1500 min-1 a nejvyšší 150,7 kW při 6000 min-1. Na palivo E85 byl nejnižší naměřený výkon při otáčkách 1500 min-1 a to 34,66 kW a nejvyšší při otáčkách 6000 min-1 a to 155 kW. Nejvýraznější výkonový rozdíl mezi průběhy měření byl 5,5kW, a to ve prospěch paliva E85 při otáčkách motoru 5500 min-1.
49
Teplota výfukových plynů 850 800 750
T [°C]
700 650 600 550 500 450 400 1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n [ min-1] N95
E85
Graf. 3Grafické znázornění teploty výfukových plynů na otáčkách Závislost teploty výfukových plynů na otáčkách motoru je vyobrazena v grafu číslo 3. Nejvyšší teploty výfukových plynů byly na obě paliva dosaženy při nejvyšších otáčkách, tedy při 6000 min -1a to 824°C na Natural 95 a 800°C na E85. Nejnižších teplot bylo dosaženo při nejmenších otáčkách motoru tedy 1500 min-1 a to 533°C na Natural 95 a 472 °C na E85. Jak je z grafu patrné, jsou průběhy měřených teplot výfukových plynů obou paliv velmi podobné, přičemž si udržují po celý průběh měření určitý teplotní rozdíl pohybující se v rozmezí od 21°C do 60°C, přičemž největší teplotní rozdíl je při nejnižších otáčkách 1500 min-1 a tento rozdíl se při zvyšování otáček postupně snižuje.
50
Hodinová spotřeba 70
60
Mph [kg.h-1]
50
40
30
20
10
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n [ min-1] N95
E85
Graf. 4 Grafické znázornění hodinové spotřeby na otáčkách motoru V grafu číslo 4 je vyobrazena hodinová spotřeba Mph v závislosti na otáčkách motoru. Z grafu je patrné, že za použití obou paliv byla nejnižší hodinová spotřeba při otáčkách 1500 min-1 a to 9,8 kg.h-1 za použití paliva Natural 95 a 13,4 kg.h-1 za použití paliva E85. Nejvyšší hodnoty hodinové spotřeby bylo dosaženo při nejvyšších otáčkách 6000 min-1 a to 46,42 kg.h-1 za použití paliva Natural 95 a 60,59 kg.h-1 za použití paliva E85. Mezi průběhy obou křivek měřených paliv je vidět značná diference začínající na hodnotě 3,64 kg.h-1 při otáčkách 1500 min-1 a následně se zvětšující s rostoucími otáčkami až po hodnotu 13,11 kg.h-1 při otáčkách 6000 min-1. Tento významný rozdíl naměřený mezi hodinovými spotřebami zkoumaných paliv je následkem podstatně nižší výhřevnosti Etanolu.
51
Měrná efektivní spotřeba 450
mpe [g.kW-1.h-1]
400
350
300
250
200 0
1000
2000
3000
4000
5000
n [ min-1]
6000 N95
7000 E85
Graf. 5 Grafické znázornění měrné efektivní spotřeby paliva na otáčkách motoru Měrná efektivní spotřeba paliva je základním porovnávacím kriteriem pokud porovnáváme paliva se stejnými parametry. V případě, že se porovnávají paliva s jinou hodnotou výhřevnosti, je potřeba transformovat hodnoty dle vztahu dle rovnice R1. Přepočtené hodnoty jsou porovnávány v následujícím grafu číslo 6, přičemž za dolní výhřevnost paliva E85 bylo uvažováno 29,28 MJ.kg-1. (Cairns, 2009)
Ep =
[
Mh * H u kJ .s −1 3,6
] R1
kde:
Ep = Energie dodaná v palivu [kJ.s-1], Hu = Hodinová spotřeba paliva [kg.h-1], Hu = Dolní výhřevnost paliva [MJ.kg-1], 52
Energie dodaná v palivu 600
500
kJ..s-1
400
300
200
100
0 0
1000
2000
3000
4000
n [ min-1]
5000
6000 N95
7000 E85
Graf. 6 Grafické znázornění závislosti energie dodané v palivu na otáčkách motoru Po přepočtení hodnot pro paliva vyobrazených v předchozím grafu je názorně vidět, že palivo Natural 95 má vyšší měrnou energii, která je přiváděná v palivu. Tato skutečnost je zřejmá z grafu 6. V tomto grafu se křivka pro Natural 95 nachází nad křivkou pro palivo E85. U paliva E85 je tato energie nižší a to je také důvodem vyšší měrné spotřeby paliva pro dosažení stejných uživatelsky sledovaných parametrů motoru. Během zkoušek na palivo E85 bylo nutné optimalizovat provozní parametry motoru, konkrétně předstih zážehu. Způsob iniciace hoření je u etanolu jiný, proto v určitých částech spalovacího prostoru může docházet k vyšší rychlosti šíření plamene. Tuto skutečnost potvrdila řada autorů. Například Takashi v roce 2006 experimentálně provedl zkoušky směsí etanolu a heptanu a isooktanu v různých koncentracích a sledoval rychlosti šíření ve spalovací bombě. Oproti laminárnímu šíření je u spalovacího motoru plamen šířen silně turbulentně a lokálně dochází k extrémům v 53
hodnotě směšovacího poměru. Je možné se domnívat, že mimo pozitivního dopadu výparného tepla, má i rozvoj reakcí s vyšší rychlostí signifikantní vliv na výslednou hodnotu výkonu, resp. účinnosti. Tento fakt částečně vysvětluje i změnu předstihu u paliva E85 směrem k hodnotám bližším horní úvrati.
Učinnost 36
34
32
ηc
30
28
26
24
22 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
n [ min-1] N95
E85
Graf. 7 Grafické znázornění účinnosti na otáčkách motoru Poslední graf vyobrazuje účinnost motoru provozovaného na obě zkoušená paliva. Jak je z grafu patrné, větší účinnosti bylo dosaženo při provozu na palivo E85. Hodnoty vynesené v grafu 7 byly vypočítány dle vzorce R2. Tento vzorec popisuje procentuelní využití energie obsažené v palivu, která je posléze transformována na výkon dodávaný motorem přes klikový hřídel. Během měření, při kterém bylo jako palivo použito Naturalu 95, bylo dosaženo největší účinnosti při otáčkách motoru 4500 min-1 a to 33,4%. Při zkoušce probíhající na palivo E85 bylo dosaženo nejvyšší účinnosti při otáčkách motoru 2500 min-1 a to 31,1 %.
54
ηc =
Pe * 100 [% ] Ep R2
Kde:
η c = Účinnost celková, Pe = Výkon efektivní, Ep = Energie dodaná v palivu.
55
9 ZÁVĚR S ohledem na klesající světové zásoby ropy a výrazného růstu emisí skleníkových plynů je nutné, aby lidstvo hledalo adekvátní náhradu za tradiční pohonné hmoty. Je faktem, že se stále nacházejí nová naleziště a zároveň díky možnosti nově objevovaných technologií zůstává i určitá rezerva. Ovšem i přes tyto argumenty je velmi důležité pokračovat v hledání dalších variant pohonných hmot. V současné době je většina pozornosti směřována k biopalivům. Tato paliva jsou teoreticky CO2 neutrální, což znamená, že rostliny využívané jako zdroj pro výrobu biopaliva při svém růstu a vývoji spotřebovávají oxid uhličitý a za pomoci fotosyntézy vytvářejí kyslík. Následným využitím již hotového biopaliva, tedy jeho spálením při provozu dopravního prostředku, dochází k opětovné tvorbě oxidu uhličitého a tím pádem i jeho návrat do atmosféry k dalšímu koloběhu. Veliký podíl ve snaze hledání dalších variant má Evropská Unie, která vydala směrnici Evropského parlamentu dne 23 dubna roku 2009 pod označením 2009/28/ES. Dle této směrnice má být v roce 2020 ve všech zemích, které jsou členy EU, dosaženo 10% podílu energie v dopravě z obnovitelných zdrojů. Aby bylo možné tyto požadavky splnit, je velmi důležité, dá se říci, že dokonce i nutností, patřičně podpořit rozvoj alternativních paliv. Pro tento rozvoj je nezbytná podpora jejich výroby, distribuce a hlavně motivace spotřebitelů k jejich nákupu. Nástrojů sloužících k podpoře alternativních paliv existuje celá řada a mnohé z nich jsou v současné době již aplikovány, a to jak ve světě, tak v České republice. Největších úspěchů samozřejmě dosahují nástroje ekonomické, mající velice významný vliv na výslednou cenu těchto paliv, která je pro spotřebitele jedním z nejvýznamnějších faktorů. Za velmi vhodného kandidáta na obnovitelný zdroj je považován etanol. Etanol je v současné době využíván pro výrobu paliva distribuovaného pod názvem E85. V podstatě se jedná o směs tvořenou 70 až 85 % etanolu a 30 až 15 % automobilového benzínu. Velmi významnou výhodou tohoto paliva je fakt, že není zapotřebí jakýchkoliv významných mechanických zásahů do systémů vozidla. Stačí pouhé nahrazení pryžových částí palivové soustavy za součásti odolné vůči agresivnímu působení etanolu. Další úpravy jsou prakticky softwarové, tedy za pomoci úpravy dat elektronicky řízené jednotky. Do těchto úprav spadá především upravení dávky paliva, neboť etanol má výrazně nižší výhřevnost oproti klasickým palivům, tedy je nutné zabezpečit více paliva pro zachování stejných, pro uživatele důležitých parametrů. Při 56
úpravě splňující tento požadavek mohou nastat značné problémy a to takové, že ne ve všech případech bude vstřikovací tryska schopna zabezpečit průtok požadovaného množství vstřikované dávky, tedy bude nutné provést její výměnu. Další úpravou prováděnou za pomoci řídící jednotky je úprava předstihu zážehu. Tato úprava je důležitá díky odlišné iniciaci hoření etanolu oproti klasickému automobilovému benzínu, což má za následek vyšší rychlost šíření plamene. Tento fakt potvrdila již celá řada autorů. Například Takashi v roce 2006 experimentálně provedl zkoušky směsí etanolu a heptanu a isooktanu v různých koncentracích a sledoval rychlosti šíření ve spalovací bombě. Oproti laminárnímu šíření je u spalovacího motoru plamen šířen silně turbulentně a lokálně dochází k extrémům v hodnotě směšovacího poměru. Je možné se domnívat, že mimo pozitivního dopadu výparného tepla, má i rozvoj reakcí s vyšší rychlostí signifikantní vliv na výslednou hodnotu výkonu, resp. účinnosti. Tento fakt částečně vysvětluje i změnu předstihu u paliva E85 směrem k hodnotám bližším horní úvrati. Bohužel úprava vozidla na palivo E85 přináší i některé nevýhody, jako je horší startovatelnost za nízkých teplot, odstraňování olejů či nižší výhřevnost mající na vině vyšší spotřebu paliva. Původním záměrem bylo zajistit výrobu alternativních paliv ze zbytků vznikajících při zemědělské, či lesnické činnosti. Postupem času se ovšem ukázalo, že pro zajištění požadovaného množství obnovitelných paliv je množství zbytků nedostačující. Díky tomu se začaly pěstovat pro tuto potřebu suroviny záměrně. Tato záměrná činnost má sice pozitivní vliv na tvorbu nových pracovních pozic, ovšem díky ekonomické výhodnosti nedochází k výrobě těchto paliv za pomoci našeho zemědělství, nýbrž se většina těchto produktů dováží z oblastí, ve kterých kvůli pěstování těchto surovin probíhá kácení deštných pralesů, aby bylo možné zajistit dostatečné plochy potřebné pro pěstování těchto surovin.
57
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY: 1. Anonym. 2012. StorHY. BmwGroup. [Online] 2012. [Citace: 2. 3 2012.] http://www.storhy.net/finalevent/pdf/WS1_Future_BMW-Fickel.pdf. 2. Anonym. 2012. www.cukrovaryttd.cz. [Online] TTD Tereos, 2012. [Citace: 26. 2 2012.] http://www.cukrovaryttd.cz/agroetanol-ttd/profil/. 3. Anonym. 2012. www.nexgenfueling.com. [Online] 2012. [Citace: 12. 2 2012.] http://www.nexgenfueling.com/t_howstationworks.html. 4. Anonym. 2007. www.themotorreport.com. [Online] 13. 5 2007. [Citace: 28. 2 2012.] http://www.themotorreport.com.au/483/bmw-hydrogen-7. 5. Anonym. 2012. www-cng.cz. [Online] RVE, 2012. [Citace: 18. 1 2012.] http://www.cng.cz/cs/interaktivni-mapa/. 6. Bouzek, Prof. Dr. Ing. Karel. 2012. Hytep. [Online] 2 2012. [Citace: 23. 2 2012.] http://www.hytep.cz/data/docs/Hytep_IAP_2012.pdf. 7. Bronislav, Jan Zdeněk ždánský. 2007. Automobily 4 - Příslušenství . místo neznámé : Avid, 2007. 9788090367180. 8. Cairns. 2009. www.greencarcongress.com. Greencarcongress. [Online] 1. 5 2009. [Citace: 10. 4 2012.] http://www.greencarcongress.com/2009/05/mahlebp-blends-20090501.html. 9. GreenCar. 2004. GreenCar. www.greencarcongress.com. [Online] 25. 9 2004. [Citace:
20.
2
2012.]
http://www.greencarcongress.com/2004/09/opelrsquos_new_.html. 10. Matějovský, Vladimír. 2005. Automobilová paliva. Praha : Grada publishing, 2005. 80-247-0350-5. 11. Rauscher, Josef. 2004. Spalovací motry. Brno : Vysoké učení technické, 2004. 12. Souček, Jiří. 2011. Paliva. [Online] 3 2011. [Citace: 21. 2 2012.] http://paliva.vscht.cz/cz/archiv-clanku/detail/12. 13. Ščerba, Pavel a Čupera, Jiří. 2011. Automobily 8 Diagnostika motorových vozidel 2. Brno : Avid s.r.o. Brno, 2011. 9788687143193. 58
14. Šebor, Pospíšil, Žákovec. 2006. [Online] 6 2006. [Citace: 17. 1 2012.] http://www.mdcr.cz/cs/Strategie/Zivotni_prostredi/. 15. Vlk, František. 2004. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2004. 80-239-1602-5. 16. Vlk,František. 2006. Paliva a maziva motorových vozidel. Brno : Prof. Ing. František Vlk DrSc nakladatelství a vydavatelství, 2006. 80-239-6461-5.
59
Seznam obrázků: Obr. 1 Rozdělení paliv pro zážehové motory (Rauscher, 2004) ............................................................ 12 Obr. 2 Detonační hoření. (Rauscher, 2004) .......................................................................................... 15 Obr. 3 Mapa ČR se zakreslením stanic na zemní plyn (Anonym, 2012) ................................................ 16 Obr. 4 Schéma stanice pro rychlé plnění CNG (Šebor, 2006) ................................................................ 19 Obr. 5Schéma stanice pro pomalé plnění CNG (Šebor, 2006)............................................................... 20 Obr. 6 Schéma LCNG stanice (Bergen, Norsko) (Šebor, 2006) .............................................................. 20 Obr. 7 Schéma LNG stanice (Anonym, 2012) ........................................................................................ 21 Obr. 8 Příklad sérově vyráběného vozidla, které využívá jako palivo zemní plyn. (GreenCar, 2004) .... 23 Obr. 9 LNG nádrže (Šebor, 2006) ......................................................................................................... 24 Obr. 10 Schéma plynové zástavby se sekvenčním vstřikováním. (Šebor, 2006) ................................... 29 Obr. 11 Schéma postupu při výrobě etanolu z cukrové řepy (Šebor, 2006) ......................................... 31 Obr. 12 BMW série 7 s pohonem na vodík (Anonym, 2007) ................................................................. 35 Obr. 13 Detail přímého a nepřímého vstřikování vodíku (Anonym, 2012) ........................................... 36 Obr. 14 Zkoušený motor připojený na měřícím dynamometru ............................................................ 41 Obr. 15Velín motorové zkušebny Mendelovy univerzity v Brně .......................................................... 43 Obr. 16 Palivová mapa pro palivo E85 ................................................................................................. 44 Obr. 17 Palivová mapa pro palivo Natural 95 ...................................................................................... 44
60
Seznam tabulek: Tab. 1Automobilové benzíny BA dodávané ČEPRO a.s. (Vlk, 2006) ...................................................... 14 Tab. 2 Složení vybraných zemních plynů (% objemu) používaných v zemích EU a zemního plynu těženého v ČR (jižní Morava) (Šebor, 2006) ................................................................................ 17 Tab. 3Hodnoty výhřevnosti Hi tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0 °C a 15 °C, 101 325 Pa (Šebor, 2006) ............................................................................................... 17 Tab. 4 Hodnoty spalných tepel Hi tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu při 0 °C a 15 °C, 101 325 Pa (Šebor, 2006) ........................................................................................... 17 Tab. 5 Přibližné hodnoty zápalných teplot tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu ve směsi se v vzduchem pro λ=1 a tlak 101 325 Pa (Šebor, 2006) ...................................... 18 Tab. 6 Vybrané fyzikálně chemické vlastnosti zemního plynu distribuovaného v ČR (Šebor, 2006) ..... 18 Tab. 7Kvalitativní parametry LPG stanovené normou ČSN EN 589:2004 (Šebor, 2006) ........................ 25 Tab. 8 8Vlastnosti LPG v porovnání s automobilovým benzínem Natural BA 95N (Šebor, 2006) .......... 26 Tab. 9 Porovnání hlavních parametrů alkoholových paliv s benzínem (Bronislav, 2007) ...................... 30 Tab. 10 Základní kvalitativní parametry vodíku dle ČSN 65 4435 (Šebor, 2006) ................................... 34 Tab. 11 Vybrané fyzikální a chemické vlastnosti vodíku (Šebor, 2006) ................................................ 34 Tab. 12 Souhrnná tabulka vlastností paliv (Matějovský, 2005) ............................................................ 37 Tab. 13 Základní parametry měřeného motoru ................................................................................... 41 Tab. 14 Parametry vířivého dynamometru .......................................................................................... 42 Tab. 15Atmosférické podmínky zkoušky.............................................................................................. 46 Tab. 16 Data naměřená na Natural 95 ................................................................................................. 47 Tab. 17 Data naměřená na E85 ............................................................................................................ 47
61
Seznam grafů: Graf. 1 Grafické znázornění točivého momentu .................................................................................. 48 Graf. 2Grafické znázornění výkonu ...................................................................................................... 49 Graf. 3Grafické znázornění teploty výfukových plynů na otáčkách ...................................................... 50 Graf. 4 Grafické znázornění hodinové spotřeby na otáčkách motoru .................................................. 51 Graf. 5 Grafické znázornění měrné efektivní spotřeby paliva na otáčkách motoru .............................. 52 Graf. 6 Grafické znázornění závislosti energie dodané v palivu na otáčkách motoru ........................... 53 Graf. 7 Grafické znázornění účinnosti na otáčkách motoru.................................................................. 54
62
