MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ

AGRONOMICKÁ FAKULTA

DIPLOMOVÁ PRÁCE

BRNO 2008

Bc. LUKÁŠ SUSZKA

1

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Úplná charakteristika dvoupalivového zážehového motoru

Diplomová práce

Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.

Vypracoval: Bc. Lukáš Suszka Brno 2008 2

3

Prohlášení Prohlašuji,

že

jsem

diplomovou

práci

na

téma

,,Úplná

charakteristika

dvoupalivového zážehového motoru‘‘ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu použité literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.

dne……………………………….. podpis diplomanta………………...

4

Poděkování Dovoluji si tímto poděkovat Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedeni, připomínky a cenné rady, při zpracování mé diplomové práce, dále děkuji Ing. Vítu Podlipnému za odborné vedení praktického měření a také Doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc.

5

Annotation The driving force for alternative how to move our limited oil supply (especially fuel and diesel), growing of vehicles and especially growing problem with pollution. One of the options is the to replace the conventional fuel with an alternative one. The aim of this Thesis is to calculate the differences between operation of the with the conventional fuel Natural 95 and an alternative fuel LPG. For the measurements we have used with the system BOSCH Mono-motronic. The values of the emissions were also obtained during the measurements of tachometer characteristic (static and dynamic) with the help of an analyzer. All the tests and measurements were done in the MZLU Brno Laboratory using the vehicle dynamometer VDM E 120-D which advantage is to obtain all the values without the car engine disassembly. All the tests supported the conclusion that LPG can be a real fuel altemative which can also improve our environment.

Key words: LPG, emission, fuel, alternative fuel

6

Abstrakt Omezené zásoby tradičních pohonných látek (hlavně benzín a nafta), rostoucí počet motorových vozidel a hlavně stále rostoucí znečišťování životního prostředí nás vedou k hledání dalších cest k pohonu automobilů. Jednou z těchto cest je možnost nahradit konvenční palivo alternativním. Cílem této práce je vyhodnotit rozdíly provozu vozidla na koncepční palivo Natural 95 a alternativní LPG. Pro měření bylo použito vozidlo vybavené palivovým systémem BOSCH Mono-motronic. Při měření vnější otáčkové charakteristiky (staticky a dynamicky), byli pomocí analyzátoru vyhodnocovány také hodnoty emisí výfukových plynů. Veškerá měření byla provedena v laboratořích MZLU Brno na vozidlovém dynamometru VDM E 120-D, který umožňuje naměření výkonových parametrů bez demontáže motoru z vozidla. Souhrnně lze říci, že LPG může být plnohodnotnou alternativou koncepčního paliva, a přispívá ke zlepšení životního prostředí.

Klíčová slova: LPG, emise, paliva, alternativní pohonné hmoty

7

OBSAH l ÚVOD.......................................................................................................................... 10 2 CÍL .............................................................................................................................. 11 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................ 12 3.1 Rozbor problematiky zadání ................................................................................ 12 3.1.1 Historie pohonných hmot.............................................................................. 12 3.1.2 Zásoby fosilních paliv................................................................................... 13 3.1.3 Perspektiva 21. století ................................................................................... 14 3.1.4 Škodlivé emise .............................................................................................. 14 3.1.4.1 Oxid uhličitý – CO2 ............................................................................... 14 3.1.4.2 Nespálené uhlovodíky – HC .................................................................. 15 3.1.4.3 Oxid uhelnatý – CO ............................................................................... 15 3.1.4.4 Oxidy dusíku – NOx ............................................................................... 15 3.1.4.5 Oxid siřičitý – SO2 ................................................................................. 15 3.1.4.6 Kyslík – O2 ............................................................................................. 15 3.1.5 Emisní předpisy ............................................................................................ 16 3.2 Alternativní pohony silničních vozidel................................................................ 16 3.2.1 LPG (Liquefied Petroleum Gas) ................................................................... 16 3.2.1.1 Klady a zápory LPG............................................................................... 18 3.2.2 Zemní plyn (CNG, LNG).............................................................................. 20 3.2.2.1 CNG (Compressed Natural Gas) ........................................................... 20 3.2.2.2 LNG (Liquefied Natural Gas)................................................................ 22 3.2.3 Biopaliva ....................................................................................................... 22 3.2.3.1 Biomasa.................................................................................................. 22 3.2.3.2 Bioetanol ................................................................................................ 23 3.2.3.3 E85 (etanol)............................................................................................ 24 3.2.3.4 Bioplyn................................................................................................... 24 3.2.3.5 Sunfuel (BtL) ......................................................................................... 24 3.2.3.6 Bionafta.................................................................................................. 25 3.2.3.7 Čistý rostlinný olej................................................................................. 25 3.2.3.8 Biovodík................................................................................................. 25 3.2.4 Vodík............................................................................................................. 26 3.2.5 Elektromobil ................................................................................................. 27 3.2.6 Hybridní pohon ............................................................................................. 27 3.3 Alternativní vozidlové spalovací motory............................................................. 29 3.3.1 Rotační pístový motor................................................................................... 29 3.3.2 Stirlingův motor ............................................................................................ 29 3.3.3 Vozidlová spalovací turbína ......................................................................... 30 4 MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ ............................................................... 31 4.1 Výkonové parametry spalovacího motoru ........................................................... 31 4.1.1 Charakteristiky spalovacích motorů ............................................................. 31 4.1.1.1 Otáčková charakteristika spalovacího motoru ....................................... 32 4.1.1.2 Zatěžovací charakteristika spalovacího motoru..................................... 32 4.1.1.3 Regulační charakteristika spalovacího motoru ...................................... 33 4.1.1.4 Úplná charakteristika spalovacího motoru............................................. 33 4.1.1.5 Zvláštní charakteristika spalovacího motoru ......................................... 33 4.1.2 Měření výkonu .............................................................................................. 34

8

4.1.2.1 Dynamický výkon.................................................................................. 34 4.1.2.2 Statický výkon ....................................................................................... 35 4.1.3 Palubní diagnostika v systému zkoušek........................................................ 35 4.2 Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů.................................................. 35 4.2.1 Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D (MEZSERVIS)............................. 35 4.2.1.1 Konstrukce dynamometru zkušebny MZLU ......................................... 36 4.2.2 Emisní systémová analýza BOSCH ESA 3.250 ........................................... 39 4.3 Příprava směsi a plnění ........................................................................................ 41 4.3.1 Palivový systém ............................................................................................ 42 5 VLASTNÍ MĚŘENÍ ................................................................................................... 44 5.1 Popis měřeného vozidla ....................................................................................... 44 5.2. Popis funkce LPG zařízení v měřeném vozidle.................................................. 45 5.2.1 Popis jednotlivých součástí zařízení LPG..................................................... 47 5.2.1.1 Tlaková nádrž......................................................................................... 47 5.2.1.2 Multiventil.............................................................................................. 48 5.2.1.3 Plynotěsná schránka............................................................................... 49 5.2.1.4 Přípojka dálkového plnění ..................................................................... 49 5.2.1.5 Tlakové potrubí...................................................................................... 49 5.2.1.6 Provozní uzavírací ventil ....................................................................... 49 5.2.1.7 Výparník – reduktor............................................................................... 50 5.2.1.8 Regulační šroub ..................................................................................... 51 5.2.1.9 Směšovač ............................................................................................... 51 5.2.1.10 Přepínací modul ................................................................................... 51 5.3 Měření úplné charakteristiky ............................................................................... 52 5.3.1 Příprava měřícího stanoviště......................................................................... 52 5.3.2 Měření spotřeby paliva ................................................................................. 54 5.3.3 Kalibrační testy ............................................................................................. 54 5.3.4 Měření statických zkoušek............................................................................ 54 5.3.5 Měření dynamických zkoušek ...................................................................... 55 5.4 Vyhodnocování úplné charakteristiky ................................................................. 56 5.4.1 Vzorce pro výpočet ....................................................................................... 56 6 VYHODNOCENÍ NAMĚŘENÝCH ZKOUŠEK ...................................................... 57 6.1 Kalibrační zkouška............................................................................................... 57 6.1.1 Kalibrace tachometru .................................................................................... 58 6.1.2 Kalibrace rychlosti v závislosti na otáčkách motoru .................................... 58 6.2 Dynamická zkouška ............................................................................................. 59 6.3 Statické zkoušky .................................................................................................. 59 6.3.1 Nespálené uhlovodíky – HC ......................................................................... 61 6.3.2 Oxid uhelnatý – CO ...................................................................................... 61 6.3.3 Oxidy dusíku – NOx ...................................................................................... 62 6.3.4 Oxid uhličitý – CO2 ...................................................................................... 63 6.4 Vyhodnocení úplné charakteristiky z měrné spotřeby paliva .............................. 63 7 DISKUZE A ZÁVĚR ................................................................................................. 65 8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................ 67 9 SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................ 69 10 SEZNAM TABULEK .............................................................................................. 70 11 PŘÍLOHY ................................................................................................................. 71 9

l ÚVOD Velký význam automobilového průmyslu je všeobecně znám. Osobní automobily jsou určeny pro dopravu osob a jejich zavazadel nebo nákladu a mohou sloužit také k tažení přívěsů. Je pravda, že silniční doprava není právě šetrná k životnímu prostředí, a to z důvodu stále větší expanze automobilismu. V budoucnu se počet automobilů bude nadále zvyšovat, což je dáno tím, že mnoho lidí si přeje vlastnit automobil. Rovněž u nákladních automobilů, kamionů a zemědělských strojů můžeme pozorovat zvýšený nárůst počtů kusů. Česká republika hraje významnou roli v mezinárodní automobilové dopravě, což je dáno díky její výhodné strategické poloze. Je totiž relativně levnou a proto hojně využívanou spojnicí mezi severem a jihem, jakožto i východem a západem. Světové zásoby ropy, dnes již vzácné suroviny, jsou značně omezené a to se začíná stále více podepisovat na každém z nás zejména jejím zdražováním. Už v sedmdesátých letech minulého století si světoví výrobci automobilů začali intenzivně uvědomovat důsledky zvyšující se spotřeby motorových paliv na životní prostředí a s nimi negativními ekologickými aspekty. V osmdesátých letech se projevily první pozitivní výsledky a nemalou mírou k tomu přispěly první automobily na alternativní pohonné hmoty. Pojmem alternativní pohonné hmoty a technologie se označují veškerá paliva nahrazující dominantní benzín a naftu, respektive technologie nahrazující spalovací vznětové i zážehové motory. Základními nedostatky v českém prostředí pro téměř všechny alternativy ke konvenčním palivům jsou mnohem řidší síť čerpacích stanic a dále chybějící motivace k nákupu a provozu ekologických vozidel.

10

2 CÍL Cílem této diplomové práce je zhodnotit současný stav alternativních paliv pro spalovací motory se zaměřením na plynná paliva v současných zážehových motorech a na základě praktického měření úplné charakteristiky dvoupalivového zážehového motoru provézt vyhodnocení rozdílů mezi pohonem ropným plynem (LPG) a automobilovým benzinem (Natural 95). Porovnávané parametry jsem získal měřením na vozidlové zkušebně MZLU.

11

3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Rozbor problematiky zadání Prudký vývoj alternativních pohonů automobilů má v současné době dvě příčiny – neúměrný nárůst škodlivých emisí výfuků a snižující se světové zásoby ropy (Vlk, 2004). Alternativní pohony mají za účel snížit škodlivé zplodiny spalování všude tam, kde si to vyžaduje ochrana životního prostředí, např. v centrech měst, v lázeňských aglomeracích, národních parcích, uvnitř velkých nemocnic atd. K tomu účelu se používají automobily spalující alternativní paliva, elektromobily a vozidla s hybridním pohonem (Vacek, 2008).

3.1.1 Historie pohonných hmot Ačkoli první spalovací motory vůbec byly poháněny plynem (Lenoirův motor na svítiplyn z roku 1860), ustoupil tento druh pohonu s dalším vývojem do pozadí, s výjimkou velkých plynových motorů na kychtový plyn. Teprve asi od roku 1930 lze zaznamenat nový pozoruhodný rozvoj pohonu motorů plynným palivem a to i u automobilů (Vlk, 2006). Téhož roku Angličané a také Francouzi začali vyvíjet automobily na stlačený svítiplyn. Těsně po těchto prvních úspěšných pokusech, započalo praktické využívání svítiplynu k pohonu automobilů i u nás v Československu (obr. 1) (Vlk, 2004).

Obr. 1 Český osobní automobil Wikov– 30. léta 20.století

12

V letech 2. světové války pro nedostatek kapalných pohonných hmot jezdily v Evropě autobusy městské hromadné dopravy, nákladní a osobní automobily nejen na svítiplyn, zemní plyn nebo zkapalněné uhlovodíkové plyny, ale byl využíván i dřevoplyn. Ten byl využíván nejen v silniční dopravě, ale i pro pohon lokomotiv, zejména v Německu. Po 2. světové válce bylo používání plynu v dopravě ve většině evropských zemí na dlouhá léta utlumeno a do popředí se opět dostaly klasické kapalné pohonné hmoty – benzín a nafta. Zemní plyn jako pohonná hmota se začal v České republice uplatňovat od roku 1981, kdy byla provedena první přestavba vozidla na zemní plyn. Prvních 5 autobusů poháněných stlačeným zemním plynem zahájilo v Praze provoz v roce 1991. V té době se rozšiřovalo používání plynových autobusů v městské dopravě i do dalších měst, hlavně na Moravě – Havířov, Frýdek Místek, Uherské Hradiště, Prostějov. Česká republika byla počátkem 90. let v plynofikaci dopravy na předním místě ve světě. Díky stagnaci se ale před ní dostaly a dostávají další evropské země, které s plynofikací dopravy začínaly později (web4).

3.1.2 Zásoby fosilních paliv Světová zásoba ropy je druhořadým problémem, který se vyřeší využíváním obnovitelných zdrojů energie (vítr, voda a slunce) pro výrobu vodíku. Ropa se podílí asi 40% na světové spotřebě energie, v současnosti je nejdůležitějším nosičem energie světového hospodářství. Celkový potenciál ropy je podle různých geologických odhadů asi 350 miliard tun. Tento celkový potenciál se dělí na: 40% již spotřebovaného (vytěženého) podílu, 40% rezerv (známá naleziště při dnešní technologii hospodárně těžená) a 20% ještě nenalezených zásob. V tomto odhadu jsou rovněž značné nekonvenční podíly složek ropy jako těžké oleje, olejové písky, olejové jíly a syntetické nafty vyrobené ze zemního plynu nebo uhlí. Odhady nekonvenčních podílů by byly velice nepřesné. Další analýza vychází z toho, že tyto podíly obnáší 300 miliard tun (Vlk, 2004).

13

3.1.3 Perspektiva 21. století Těžba ropy v Evropské unii v posledních 10 letech roste, zejména díky těžbě z nových nalezišť v Severním moři. Zároveň však se spotřeba ropy nemění, náhrada ropy jako zdroje energie pro mimodopravní účely je kompenzována prudkým nárůstem její spotřeby v dopravě. V příštích 20 až 30 letech je očekáváno snižování produkce ropy v EU. Na druhou stranu poptávka po ropě poroste s tím, že možnosti její náhrady budou již vyčerpány a spotřeba v sektoru dopravy dále poroste. Proto byla vypracována evropská strategie, znamenající 20% podíl alternativních paliv v dopravě. Tento cíl dále zvyšuje požadavky na automobilový průmysl, který v nedávné minulosti musel řešit drastickou redukci emisí konvenčních polutantů, eliminaci olova a síry z automobilových paliv, zvýšení účinnosti spalování a s tím spojené snížení spotřeby paliva (Vlk, 2004).

3.1.4 Škodlivé emise Silniční doprava se celosvětově podílí více jak polovinou všech emisí oxidu uhličitého a oxidu dusíku a něco méně než 50% emisí uhlovodíků. Celosvětově má na těchto emisích největší vliv sektor nákladních vozidel. Se zvláště úspornými vozidly pro silniční provoz, která již dnes automobilový průmysl nabízí, je možno emise oxidu uhličitého značně snížit a to např. zavedením třícestných a oxidačních katalyzátorů (Kameš, 2004). Mezi sledované parametry výfukových plynů můžeme zařadit: 3.1.4.1 Oxid uhličitý – CO2

Oxid uhličitý je nejedovatý produkt spalování. Hodnota CO2 slouží společně s CO a HC k posouzení funkčnosti katalyzátoru. Oxid uhličitý vzniká rovněž oxidačními procesy v katalyzátoru, při kterých redukuje obsah škodlivých složek výfukových plynů. V případě správné funkce katalyzátoru může být hodnota CO2 dokonce ještě vyšší než při dokonalém spalování. Nárůst obsahu oxidu uhličitého v atmosféře je jednou z významných příčin tzv. ,,skleníkového efektu“. Tento nárůst je způsoben spalováním fosilních paliv, průmyslem, ničením tropických pralesů a rovněž i dopravou. 14

3.1.4.2 Nespálené uhlovodíky – HC Výfukové plyny se skládají z velkého množství různých sloučenin uhlíku a vodíku, přičemž některé uhlovodíky jsou karcinogenní. Stejně jako u emisí CO stoupá hodnota HC v oblasti bohaté směsi s klesající hodnotou λ. Objemový obsah HC ve výfukových plynech je podstatně nižší než u CO.

3.1.4.3 Oxid uhelnatý – CO Oxid uhelnatý je bezbarvý jedovatý plyn, který je bez zápachu. V krvi se váže na hemoglobin lépe než kyslík a už malé množství může být při delším vdechování smrtelné.

3.1.4.4 Oxidy dusíku – NOx

Oxid dusnatý NO je bezbarvý plyn, který na vzduchu oxiduje na NO2, což je hnědočervený plyn se silným zápachem. Dráždí plíce a pokožku, leptá tkáň, je silně jedovatý a podílí se na tvorbě smogu.

3.1.4.5 Oxid siřičitý – SO2 Oxid siřičitý je bezbarvý plyn na vzduchu nestálý, dráždící dýchací cesty. Vzniká tak, že v palivu obsažena síra reaguje se vzdušným kyslíkem na oxid siřičitý (SO2). Ve spojení s vodou vznikají kyseliny síry, které jsou známé jako ,,kyselý déšť‘‘ a jsou velmi škodlivé pro životní prostředí.

3.1.4.6 Kyslík – O2

Kyslík se vyskytuje ve výfukových plynech pouze při spalování chudé směsi s přebytkem vzduchu (Petrás et al., 1997).

15

3.1.5 Emisní předpisy Na počátku devadesátých let v rámci jednotné legislativy ve státech Evropské unie vychází nové emisní předpisy pro motorová vozidla - viz. tab. 1.

Tab. 1 Emisní předpisy Evropské unie (hodnoty v g/km) Norma Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5

Datum zavedení 07/1992 01/1996 01/2000 01/2005 2008-?

CO

HC

HC+NOx

NOx

2,72 2,20 2,30 1,00 1,00

0,20 0,10 0,075

0,97 0,50 -

0,15 0,08 0,06

3.2 Alternativní pohony silničních vozidel V automobilovém průmyslu se může využít několik druhů alternativních pohonů. K nejdůležitějším patří pohony plynové, elektrické, hybridní a vodíkové. Vyvíjí se i pohony sluneční a vzduchové. Za alternativní paliva se považují zejména: - zkapalněné ropné rafinérské plyny (LPG), - zemní plyn (CNG, LNG), - biopaliva, - vodík, - elektrický proud, - hybridní pohon (Cedrych, 1999).

3.2.1 LPG (Liquefied Petroleum Gas) LPG jako pohonné médium k provozu spalovacích motorů je směsí propanu a butanu (obr. 2). Při teplotách a tlakových podmínkách běžného klimatu je tato směs plynná. Poměrně malým tlakem je však možné směs zkapalnit i za normální teploty. Při zkapalnění se značně mění objem. Z cca 250 litrů PB (propan-butan) v plynném stavu se získá 1 litr kapaliny (z 1 m3 plynu vzniknou 4 litry kapaliny). Tato vlastnost PB umožňuje skladovat v poměrně malém prostoru velké množství energie.

16

propan C3H8

butan C4H10 Obr. 2 Propan-butan

Směs propanu a butanu (a tedy LPG) není sice jedovatá, ale je nedýchatelná (má slabé narkotizační účinky a neobsahuje kyslík). V plynném skupenství je LPG těžší než vzduch, v kapalném skupenství je lehčí než voda.

Fyzikální hodnoty a vlastnosti pohonné směsi na bázi PB jsou v připojené tab. 2 (Cedrych, 1999). Tab. 2 Fyzikální vlastnosti LPG Fyzikální vlastnosti a hodnoty PROPAN Hustota kapalné fáze při 15 oC v kg/Nm3 510 Hustota plynné fáze při 0 oC; 0,1 MPa; v kg/Nm3 1,97 Hustota (vzduch = 1) 1,56 1,88 Specif. objem kapalné fáze 1 kg kapalného plynu při 0 oC v litrech 1,96 při 15 oC v litrech 508 Objem 1 kg plynu při tlaku 1 MPa; 0 oC v litrech o 535 při tlaku 1 MPa; 15 C v litrech Tenze par (tlak) v MPa při 20 oC 0,7353 při 0 oC 0,3703 při -10 oC 0,2424 Bod varu při 0 oC a tlaku 1,01 MPa -42,6 o Výparné teplo při 0 C v kJ/kg 378,58 Výhřevnost kWh/kg 12,87 Spalné teplo kWh/kg 13,98 Wobbeho číslo vztažené k výhřevnosti kWh 20,79 o Nejvyšší spalovací teplota se vzduchem/s kyslíkem C 1925/2850 o Zápalná teplota (se vzduchem) C 510 Meze výbušnosti (se vzduchem) obj. % plynu 2 až 9,5 Nejvyšší spalovací rychlost cm/s 47,2 Teoretická spotřeba vzduchu m3/m3 24,36 Teoretická spotřeba kyslíku m3/m3 5,104 3 3 Objem spalin: vlhké m /m 26,244 Objem spalin: suché m3/m3 22,3 o Rosný bod spalin C 55 CO2 max. obj. % 13,8

n-BUTAN 580 2,59 2,09 1,68 1,72 373 393 0,1089 0,0059 0,0289 -0,6 383,86 12,69 13,74 23,74 1895/2850 430 1,5 až 8,5 45,2 32,308 6,769 34,709 29,68 55 14,1

Kapalný propan-butan patří v Česku k nejrozšířenějším alternativám benzínu. Hlavní výhodu představují výrazně nižší provozní náklady, hustá síť čerpacích stanic (okolo 500) a úpravců. Kvůli menšímu tlaku (0,08 MPa) nejsou zapotřebí tak velké nádrže jako u CNG. 17

Cena za přestavbu se pohybuje od 10 000 do 40 000 korun podle automobilu a typu použitého LPG zařízení. U starších aut se to vyplatí i tomu, kdo jezdí méně. Ne všechny vozy jsou však vhodné pro provoz na propan-butan. Na rozdíl od CNG však s výjimkou soukromého importéra Subaru (provádí instalaci do vozů Legacy a Forester až v Česku) žádná značka nenabízí oficiální přestavbu na LPG. Nejrizikovějším místem motoru na LPG jsou sací ventily a jejich sedla. Existují ale prostředky na ochranu. Provoz na LPG je mnohem čistší než spalování benzínu i nafty. V Česku se cena pohybuje kolem 15 korun za litr. Ve srovnání s benzínem ale počítejte s asi 10 % nárůstem spotřeby. V Česku je výroba LPG zatížená spotřební daní, plánovaná ekologická daňová reforma však bude vozy na LPG zvýhodňovat. I přes růst cen je LPG o polovinu levnější než benzín. Kdo chce přejít na plyn, je LPG nejjednodušší a nejlevnější cesta. A to zejména u starších aut, u moderních motorů počítejte s vyššími náklady. Nevýhodu představuje také nádrž v zavazadlovém prostoru. Může sice být místo rezervy, tu však musíte dát jinam nebo si pořídit sadu na opravu pneu a senzor hlídající pokles tlaku v kolech (Vacek, 2008). Pro pohon LPG jsou nejvýhodnější motory chlazené kapalinou, neboť výparník musí chladící kapalina motoru vyhřívat. Je-li motor chlazen vzduchem (např. Tatra 613), je řešení technicky a tudíž i finančně náročnější (Cedrych, 1999).

3.2.1.1 Klady a zápory LPG Klady: Zaprvé mezi ně patří vysoká výhřevnost a vysoká antidetonační odolnost LPG a možnost dosažení lepší homogenity směsi. LPG také obsahuje méně elementární síry. Při jeho použití má správně seřízený motor nižší výfukové emise ve všech složkách v současné době sledovaných než tentýž motor s pohonem na benzín. To platí zejména u starších vozů s klasickým karburátorem (Cedrych, 1999). Bylo zjištěno, že emise oxidu uhelnatého poklesnou až na 66 % a emise oxidu dusíku na 39 % oproti emisím motoru na konvenční palivo. Provoz na LPG je tedy ekologičtější (Vlk, 2000). Druhým kladem je větší ekonomičnost provozu automobilu s tímto pohonem. I když budeme uvažovat cenu LPG jen zhruba poloviční než je cena benzínu a spotřebu cca o 10 až 20 % vyšší než při jízdě na benzín, je stále úspora v přepočtu na 100 km jízdy značná. Náklad na přestavbu se tedy amortizuje relativně brzy.

18

Další předností je nižší hlučnost a klidnější chod motoru. To zpozorujeme, když přepneme provoz z benzínového pohonu na plyn. Větší pružnosti motoru lze dosáhnout (u automobilů s karburátorovými motory) zvýšením předstihu zážehu (ovšem vždy při dodržení maximálních hodnot udávaných výrobcem), protože LPG má díky větší antidetonační odolnosti oktanové číslo cca 101 až 111 (Cedrych, 1999). Předností alternativního pohonu na LPG je konečně i možnost volby paliva benzín – LPG (Vlk, 2006).

Nevýhody: Snížení výkonu motoru (o cca 5–10 %) u přestavovaných vozidel (web4). Vstupní investice na pořízení zařízení. Cena za přestavbu se pohybuje od 10 do 40 tisíc korun podle automobilu a typu použitého LPG zařízení. Zmenšení zavazadlového prostoru a zvětšení celkové hmotnosti automobilu a tím snížení povolené hmotnosti užitečné (Vlk, 2006). Další nevýhodou je nutnost dodržovat určité bezpečnostní podmínky při parkování (není dovoleno parkovat v podzemních garážích), při vjezdu do opraven a při opravách vozů vůbec (sváření, broušení a další činnosti, při kterých může vzniknout jiskra). Určité nepohodlí představuje pro držitele automobilu s alternativním pohonem na LPG i povinnost absolvovat po celou životnost automobilu s vozem pravidelné kontrolní prohlídky (1*ročně) u některé ze stanic schválených pro měření emisí vozů s pohonem na LPG nebo montážních organizací, které jsou vybaveny příslušným servisním a diagnostickým zařízením (Cedrych, 1999).

Používáním alternativního paliva LPG v automobilu jsou zápory provozu bohatě převáženy výhodami, a to hlavně ekonomickými, tedy podstatným snížením nákladů na provoz automobilu.

19

3.2.2 Zemní plyn (CNG, LNG)

3.2.2.1 CNG (Compressed Natural Gas) Zemní plyn v automobilech používaný ve stlačené formě CNG má podobné složení jako biopaliva. Je přírodní a skládá se z uhlovodíků s proměnnou příměsí neuhlovodíkových plynů. Hlavní složkou je metan CH4, který tvoří 96 – 98 procent směsi. Z plynovodní sítě se kompresorem stlačuje zemní plyn na tlak 20 – 30 MPa a stlačený je uchováván v tlakových zásobnících. U CNG plnících stanic se plní přes plnící ventil do plynové tlakové nádoby ve vozidle. Ta je ocelová nebo z kompozitních materiálů a plnění je ve skutečnosti přepouštění plynu z tlakových zásobníků do tlakové nádoby ve vozidle. Existují dva typy plnících stanic – pro rychlé a pro pomalé plnění. Rychlé plnění zabere přibližně tři až pět minut, pomalé se provádí přímo pomocí malého kompresoru do nádrží ve vozidle bez tlakových zásobníků a trvá pět až osm hodin. Při jízdě se CNG dostává do vysokotlakého regulátoru, kde se tlak plynu upraví na potřebný provozní tlak. Podle pokynů řídící jednotky průběžně upravuje krokový motorek množství plynu do směšovače majícího obdobnou funkci jako karburátor nebo vstřikování při použití benzínu. Ve směšovači se zemní plyn mísí se vzduchem a vytváří zápalnou směs. Aby systém mohl fungovat, řídící jednotka a emulátor přerušuje vstřikování benzínu a řídí dávkování plynu. CNG má výhody nejen proti benzínu a naftě, ale i LPG. Oproti němu má lepší startovací vlastnosti při nízkých teplotách a jej spalující vozidla mohou parkovat v zajištěných podzemních garážích. LPG je vázáno na ubývající zásoby ropy, zatímco ložiska zemního plynu jsou dlouhodobější. Z hlediska bezpečnosti je CNG vzhledem ke způsobu uskladnění ve vozidle a svým vlastnostem nejbezpečnějším palivem pro pohon automobilů. Výrazně menší než při spalování konvenčních paliv je emise CO. Zemní plyn také významně potlačuje vznik tzv. skleníkového efektu, neboť jeho spalováním vzniká asi o 25 % méně CO2 než z benzínu. Výsledek ovšem trochu zhoršuje opačný efekt metanu, nicméně zlepšení vlivu na ovzduší o 15 až 20 % není zanedbatelné. Emise oxidu dusíku (NOx) jsou sice stejné jako u benzínu, ale např. zpětným vedením plynu se dají omezit. Předností zemního plynu jsou i jeho spaliny bez zápachu, a neobsahují ani saze.

20

Díky vysokému podílu metanu je v porovnání s benzínem ve spalinách zemního plynu asi o 80 % méně fotochemicky závažných uhlovodíků podporujících vznik ozónové vrstvy u zemského povrchu, takže není třeba přídavných látek zlepšujících průběh spalování. Metan obsahuje velké množství vodíku, jehož spalováním vzniká v ideálním případě jen vodní pára. Zemní plyn je vhodný pro pohon vozidlových motorů i proto, že v porovnání s benzínem nijak výrazně nesnižuje celkovou účinnost, pokud je předstih zážehu optimálně přizpůsoben specifickému průběhu spalování. V důsledku poněkud menšího plnění válců a nižší výhřevnosti se nicméně měrný výkon snižuje asi o 15 %, což je ale v běžném provozu přijatelné. Výhodou zemního plynu je i vysoké oktanové číslo přes 100, zaručující při optimálním předstihu zážehu spalování bez klepání (Vlk, 2000). Nevýhodou přestavby na CNG místo LPG je zejména vyšší vstupní investice, která se v průměru pohybuje okolo 60 tisíc korun. Je také potřeba počítat s menší dojezdovou vzdáleností, která je například u přestavěné Škody Fabia zhruba 220 – 260 kilometrů. O něco lepší je to u vozidel připravených na CNG přímo automobilkou, Opel Zavita či Fiat Multipla mají dojezd až 550 kilometrů, což jim umožňují větší tlakové nádrže. Nabídka výrobců aut spalujících CNG však obdobně jako u LPG není příliš pestrá. Na našem trhu lze zakoupit osobní verze zmiňované zavity a multiply, Fiat Panda, Citroën C3 a Berlingo a Renault Kangoo, užitkové Opel Combo, Fiat Doblo Cargo Van a Punto Van a Renault Kangoo Express. Pro CNG je v České republice limitující hlavně malá síť plnících stanic. Těch je prozatím čtrnáct, další se staví nebo plánují. Podle dohody plynárenských společností s vládou ČR by měla mít síť 100 plnících stanic (web1). Zemní plyn je hodně oblíbený pro pohon autobusů, nákladních nebo manipulačních vozidel. Samotný motor nevyžaduje žádnou speciální úpravu. Palivová soustava je rozšířená o vysokotlakou část pro zemní plyn. Spalování zemního plynu je mnohem čistší než u ostatních paliv. Z fosilních pohonných hmot má suverénně nejnižší emise CO2. Cena jednoho kilogramu se prodává za 21 korun, přičemž v 1 kg zemního plynu se ukrývá více energie než v litru benzínu. Zásoby zemního plynu se odhadují na 150 let. V Česku je od roku 2007 osvobozen od spotřební daně. Jeho cena tolik nekolísá, se zvyšující se poptávkou lze však očekávat růst. Z ekologického i provozního hlediska je zemní plyn nejlepší alternativou pro benzínové motory.

21

Většímu rozšíření u nás brání řídká síť čerpacích stanic. Změnit by to mohla chystaná ekologická daňová reforma finančně zvýhodňující alternativní paliva (Vacek, 2008).

3.2.2.2 LNG (Liquefied Natural Gas) LNG je zkapalněný zemní plyn, který je zchlazen na teplotu -160 až -162 ºC při atmosférickém tlaku a má zhruba 600x menší objem než zemní plyn. Zkapalněný zemní plyn je studená, namodralá, průzračná kapalina bez zápachu, nekorozívní, netoxická, s malou viskozitou. Jeho fyzikální vlastnosti závisí na složení, obsahuje podle 90 - 99 % metanu a zbytky etanu, propanu, vyšších uhlovodíků, dusíku, vody a síry. Na LNG dnes ve světě jezdí přibližně několik tisíc vozidel, nejvíce v USA a Kanadě pro dálkovou autobusovou a nákladní přepravu. Zajímavé je také využití pro chladírenské automobily, kde má LNG dvojí využití: jako palivo a zároveň chladící kapalina (Vlk, 2004).

3.2.3 Biopaliva Historie používání biopaliva u nás začíná již po první světové válce, kdy se začaly vyrábět a prodávat lihobenzínové směsi. Pod názvem Dynalkol se prodávaly směsi s obsahem 50% etanolu, 30% benzenu a 20% benzínu. Až do roku 1932 konkuroval tento výrobek autobenzínu obsahujícímu jen ropný benzín. V letech 1926 až 1936 bylo v Československu zavedeno ze zákona povinné mísení 20% bezvodého etanolu s benzínem. S rostoucí spotřebou pohonných hmot bylo tak umožněno vymíchat asi 50 tis. tun etanolu do benzínu ročně, což bylo v roce 1935 20% spotřeby. Používání lihobenzínových směsí zaniklo u nás až počátkem padesátých let minulého století a dosud nebylo obnoveno.

3.2.3.1 Biomasa Mezi všemi obnovitelnými zdroji energie má biomasa jedinečné postavení, protože na rozdíl od jiných zdrojů představuje akumulovanou sluneční energii.

22

V ČR je možné využívat až 8 mil. tun biomasy. V současnosti jsou nejdůležitějšími palivy z biomasy metanol, etanol (etylalkohol) a bionafta. Do pozadí ustoupilo používaní bioplynu a dřevoplynu, které byli populární především v období druhé světové války. Biomasu můžeme rozdělit na: Suchou – zejména dřevo a dřevní odpady, ale také sláma a další odpady. Lze ji spalovat přímo, případně po mírném vysušení. Mokrou – zejména tekuté odpady, kejda a další odpady. Nelze ji spalovat přímo, využívá se zejména v bioplynových technologiích. Speciální biomasu – olejniny, škrobové a cukernaté plodiny. Využívají se

ve

speciálních technologiích k získání energetických látek, zejména bionafty nebo lihu (Vlk, 2006).

3.2.3.2 Bioetanol

Jestliže je vodík hudbou budoucnosti, pak bioetanolu zní téměř soudobě. Jde o produkt alkoholové fermentace (kvašení) z biomasy. Kromě rostlin obsahujících škrob, jako jsou kukuřice, obilí a brambory, se nejčastěji používá cukrová třtina a cukrová řepa. Výsledný produkt může být užit jako součást benzínu, nebo přímo v čisté formě jako motorové palivo. Pomocí bioetanolu se zvyšuje oktanové číslo a snižuje se množství emisí CO2, čistý se zatím v praxi nepoužívá a spíše se v množstvích 5 až 10 procent přimíchává do konvenčních minerálních paliv. Na ženevský autosalon by měl ale švédský Saab přivézt motor Saab Bio Power 100 na čistý bioetanol, agregát připravený k sériové výrobě (web1). Na trhu paliv se objevil prakticky současně s automobilovým benzínem a byl palivem používaným v prvních automobilech Henry Forda. Jako alternativní palivo se bioetanol neustále vrací, vždy s určitým způsobem modifikované podoby (Vlk, 2006). Asi nejdále je s výzkumem využití bioetanolu automobilka Ford. Ta již nějaký čas nabízí modely spalující Bioetanol E85, tedy směs složenou z 85 procent bioetanolu a 15 procent benzínu (web1). V České republice existuje program, kdy se etanol z obilí a brambor bude přimíchávat do běžných automobilových benzínů. Tím se sníží závislost na fosilních palivech (Vlk, 2006).

23

3.2.3.3 E85 (etanol) Palivo E85 je směs složená z 85 % bioetanolu a 15 % klasického benzínu. Velmi populární je zejména ve Švédsku, kam také směřuje většina produkce modelů aut upravených pro spalování E85. Vyšší agresivita této pohonné hmoty však vyžaduje úpravu palivové soustavy, motoru a montáž dodatečného předehřívání. E85 má totiž problémy se studenými starty. Tyto změny však zvýší cenu vozu v průměru tak o 30000 korun. Počítat musíme i s vyšší spotřebou. Navíc masová výroba bioetanolu vede k ničení deštných pralesů, jejichž plochu zabírají technické plodiny. Palivová soustava a některé díly motoru jako ventilová sedla musejí být uzpůsobeny vyšší agresivitě paliva E85. Při spalování se v porovnání s benzínem uvolňuje mnohem méně CO2. Dost ho ale vzniká při výrobě tohoto paliva. Cena jednoho litru je 24 korun. Síť čerpacích stanic v Evropě je s výjimkou Skandinávie stále velmi řídká, brzy jich ale bude víc, v Česku však nelze E85 volně koupit vůbec. Růst ceny kopíruje konvenční paliva, nedochází však u něj k takovým výkyvům (Vacek,2008).

3.2.3.4 Bioplyn

Je plynná pohonná hmota vyrobená z biomasy a nebo biologického rozkladu odpadů, která může být vyčištěna až na kvalitu zemního plynu a užívána jako biopalivo, nebo dřevoplyn. Je tvořen směsí plynů: 55 až 75 % metanu, 25 až 40 % oxidu uhličitého a 1 až 3 % dalších plynů (dusík, vodík, sirovodík). Pro pohon motorových vozidel je nutno jej zbavit přebytku nežádoucích příměsí jako jsou zejména oxid uhličitý a sirovodík. Výhodou bioplynu jsou nižší emise než u benzínu a úspora nákladů a paliva. Nevýhodou je nestabilní produkce plynu (Vlk, 2004).

3.2.3.5 Sunfuel (BtL) Biopalivo druhé generace vyráběné kompletně z rostlin. Dnešní technologie ho však zatím nedokáží vyprodukovat velké množství (Vacek,2008).

24

3.2.3.6 Bionafta

Je metylester vyrobený z rostlinného (MEŘO - metylester řepkového oleje) nebo živočišného oleje, s kvalitou nafty, užívaný jako biopalivo. V minulosti se u nás prodával mix s až 30 % podílem MEŘO, nyní se povinně přimíchává 2 až 5 % biosložky (Vacek,2008).

3.2.3.7 Čistý rostlinný olej

Je olej vyrobený z olejnatých rostlin, surový nebo rafinovaný, avšak chemicky neupravovaný (Vlk, 2006). Na rozdíl od bionafty však rostlinný olej neobsahuje další aditiva zlepšující jeho vlastnosti. Největší problém představuje vysoká viskozita při teplotách pod bodem mrazu, kdy zhoustne a nelze ho čerpat. Hrozí tak poškození vstřikovacího čerpadla. Navíc rostlinný olej vždy pronikne do klikové skříně a znečistí motorový olej. Ten časem zhoustne a zhorší proces mazání. Předejít lze tomu častější výměnou olejové náplně. Provoz na rostlinný olej je vhodný pro starší vznětové motory s řadovými čerpadly, které nejsou tak choulostivé jako moderní vstřikovací systémy. I s funkcí předehřívání zlepšující tekutost nedosáhne rostlinný olej nikdy kvalit nafty. U moderních agregátů hrozí poškození drahých dílů vstřikovací soustavy, u starších se doporučuje přimíchávat do nádrže další aditiva. Dlouhodobé používání rostlinného oleje také působí agresivně na materiály motoru. Spalováním se uvolňuje menší množství CO2 než u nafty, dost ho ale vzniká při samotné výrobě rostlinného oleje. Litr lze pořídit od 22 Kč, počítat však musíme se zvýšením spotřeby asi o 10 %. Zejména v Německu míchá naftu s rostlinným olejem čím dál víc motoristů. Na zvýšenou poptávku reaguje i cena, která pomalu, ale jistě roste. Provoz na rostlinný olej je asi nejméně doporučitelnou alternativou, která příliš neprospívá kondici motoru. Doporučit se dá snad jenom majitelům starších dieselů (Vacek,2008).

3.2.3.8 Biovodík

Je vodík vyrobený z biomasy a nebo biologického rozkladu odpadů, užívaný jako biopalivo.

25

3.2.4 Vodík Masové využití vodíku je prozatím hudbou budoucnosti. I když již v letošním roce vyjedou sériová BMW řady 7 (obr. 3), která budou schopna vodík spalovat, jde spíše o příslovečné vlaštovky. V současnosti se výzkum zabývá dvěma variantami, a sice spalováním vodíku v klasických motorech – touto cestou se vydalo právě BMW – a využitím vodíku v palivových článcích.

Obr. 3 BMW řady 7 V prvním případě se zkapalněný nebo stlačený vodík spaluje jako běžné pohonné hmoty a vzniká voda a malé množství kysličníků dusíku. Dvanáctiválce, jimiž budou osazeny luxusní limuzíny mnichovské automobilky, budou umět spalovat jak benzín, tak zkapalněný vodík. Vozy vybavené kombinovaným motorem by měly ujet přibližně 200 kilometrů na vodík a dalších 500 kilometrů na benzín. Na jedné straně se takovou variantou částečně vyrovnává handicap prozatím nedostatečné sítě stanic, v nichž lze vodík doplnit, na druhé straně je však nutné vybavit vůz dvěma nádržemi. Výroba vodíku je navíc drahá a ve směsi se vzduchem je silně výbušný. V druhém případě jsou vozidla vybavena palivovými články s vodíkem, z něhož se přímo ve vozidle vyrábí elektřina. Ta vzniká exotermní elektrochemickou reakcí a využívá se pro elektromotor, který vůz pohání. Kromě elektřiny vzniká také voda nebo vodní pára a nejde vlastně o spalování, ale chemickou reakci. Americký koncern General Motors představil loni na podzim Chevrolet Sequel poháněný vodíkovými palivovými články. Automobil, jenž může mít uložených osm kilogramů vodíku pod tlakem 700 barů, dokáže podle výrobce ujet až 480 km, ale vlivem ceny paliva a nedostatku prodejních míst se počítá se sériovou výrobou až kolem roku 2020. Kvůli menším nákladům na spalovací motory v porovnání s palivovými články bude pravděpodobně zatím dominovat varianta spalování vodíku, dokud se nepodaří výrazně snížit náklady na palivové články. 26

Přestože zatím není masově rozšířen, je vodík nejslibnějším palivem pro vozidla budoucnosti. Do roku 2010 by mělo být v Evropě alespoň 45 vodíkových čerpacích stanic. Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyn. S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat. Hlavní výhodou vodíku jako paliva je čistota spalování (web1).

3.2.5 Elektromobil V roce 1986 oslavil nejen automobil své stoleté narozeniny, ale také elektrické vozidlo mělo sté výročí. První elektromobil na našem území postavil v roce 1985 velký český elektrotechnik Ing. František Křižík (Vlk, 2000). Elektrický pohon neprodukuje prakticky žádné škodlivé emise, má nízkou hladinu hluku, příznivou výkonovou charakteristiku a jednoduchou obsluhu a spouštění. Nevýhodami je pak především velmi malý akční rádius, nižší výkon, vyšší cena a případně i vyšší nebezpečí při havárii. Většímu rozmachu dosud bránily příliš těžké baterie s malou kapacitou. Nová generace článků by mohla znamenat větší rozšíření (Kameš, 2004).

3.2.6 Hybridní pohon

Obecně lze označit hybridním pohonem kombinaci několika zdrojů energie pro pohon jednoho dopravního prostředku, nejčastěji elektrické trakce jako u elektromobilu a spalovacího motoru. Hybridní vozidla zachovávají výhody konvenčních spalovacích motorů a elektromobilů a zároveň potlačují jejich nevýhody. Mají dva motory – spalovací a elektromotor – a podle okolností volí nejvýhodnější režim. Obvykle při jízdě na krátké vzdálenosti nebo při rovnoměrné jízdě pohání vůz elektromotor elektrickou energií z akumulátoru. Protože ale dochází k průběžnému dobíjení baterií v průběhu jízdy se spalovacím motorem, baterie mohou být menší a tudíž i levnější, než je tomu u klasických elektromobilů.

27

Hlavní plusy hybridního pohonu jsou nízká hlučnost elektropohonu, jeho nulové exhalace a účinnost elektromotoru až 90 procent. Spalovací motor u hybridu zajišťuje velký dojezd a možnost cestování vysokou rychlostí. Nevýhodami jsou vysoké pořizovací náklady, zvýšení hmotnosti vozidla a zmenšení úložných prostor. Rovněž nabídka takových vozů není dosud velká, v České republice jde pořídit Toyotu Prius (Japonská Toyotu Prius je vůbec prvním sériovým osobním automobilem s hybridním pohonem nabízeným v běžné prodejní síti. Už v roce 1995 se jako studie objevila na tokijském autosalonu a o dva roky později už ji měli k dispozici prodejci. Pro pohon je tady použita kombinace mimořádné techniky vyspělého zážehového čtyřválcového motoru o objemu 1500cm3 a výkonu 43 kW a 30 kW synchronního elektromotoru. Důmyslná elektronika udržuje čtyřválec neustále v oblasti příznivého točivého momentu, a tedy v oblasti nízké spotřeby. Je-li vozidlo v klidu, spalovací motor se samočinně vypíná. Při plynulém rozjezdu a jízdě ve městě rychlostí do 50 km/h pohání vůz jen elektromotor za předpokladu, že jsou akumulátory dostatečně nabité. Při potřebě většího výkonu se spalovací motor samočinně rozběhne, ale jeho řídící jednotka ho neustále udržuje v oblasti optimálního zatížení, aby se spotřeba nezvyšovala. Výkonem, který není pro pohon vozu zapotřebí, se prostřednictvím generátoru dobíjejí akumulátory typu Ni-Mh (nikl – metalhydrid), které využívají i rekuperovanou část kinetické energie vozu při sjíždění svahu. Běžný provoz tedy nevyžaduje externí zdroj elektrické energie. Průměrnou spotřebu uvádí Toyotu 3,6 l/100 km.) a Hondu Civic Hybrid (obr. 4). Průběžně se ale po celém světě představují nové modely mnoha výrobců, například Kia Rio, Mazda Tribute Hybrid nebo luxusní limuzína Lexus LS 600h (web1).

Obr. 4 Honda Civic Hybrid

28

3.3 Alternativní vozidlové spalovací motory

3.3.1 Rotační pístový motor Rotační pístový motor vynalezl v roce 1954 Felix Wankel. Příčný profil vnitřku motorové skříně tvoří válcová plocha mající profil křivky nazývané zkrácená epitrochoida. Uvnitř skříně koná krouživý pohyb píst trojúhelníkového tvaru. V porovnání s klasickým pístovým motorem má Wankelův motor tyto výhody: - klidnější chod, neboť rotují pouze hlavní části (píst vstupní hřídel s excentry), - dokonalé dynamické vyvážení protizávažími na hřídeli rotoru, - lepší ukazatele výkonové hmotnosti (kg/kW), - menší zastavěný prostor (m3/kW), - menší počet součástí a menší hmotnost, - nižší obsah NOx ve výfukových plynech. Nevýhody Wankelova motoru: - nízká životnost lišt těsnících spalovací prostor a obecně problémy s utěsněním spalovacích komor, - tvar spalovacího prostoru v okamžiku zážehu a spálení hlavní části paliva má velký měrný povrch, což vede k velkým ztrátám tepla a k snížení tepelné účinnosti oběhu, - velká měrná spotřeba paliva, jako důsledek malé tepelné účinnosti a nízkého kompresního poměru, - velká spotřeba motorového oleje vyvolaná požadavky na mazání těsnících lišt, která dosahuje dvojnásobku v porovnání s klasickým čtyřdobým motorem, - vyšší exhalace HC, CO, CO2 (Vlk, 2004).

3.3.2 Stirlingův motor Stirlingův motor je motor s vnějším spalováním, v němž hoří palivo nepřetržitě s přebytkem vzduchu a při nižší spalovací teplotě. V roce 1816 nechal Robert Stirling patentovat stroj, který vyvíjí mechanickou sílu pomocí ohřátého vzduchu. V roce 1845 byl postaven první takovýto motor. Výhodou tohoto motoru s vnějším spalováním je velmi nízký obsah škodlivin ve spalinách, tichý chod a možnost spalovat více druhů paliv.

29

Nevýhodou, která brání významnějšímu rozšíření Stirlingova motoru, je značná složitost konstrukce a tedy i vysoká cena (Vlk, 2004).

3.3.3 Vozidlová spalovací turbína Ve vozidlové spalovací turbíně se energie přivedená v palivu mění přes tepelnou a kinetickou energie proudu spalin na mechanickou práci. Pro pohon vozidel je vhodné tzv. dvouhřídelové uspořádání s volnou hnací turbínou. V porovnání s klasickým pístovým motorem má spalovací turbína následující výhody: - menší vibrace určované pouze rotačním pohybem, - výkonová hmotnost nižší asi o 15%, - provoz bez chlazení za všech klimatických podmínek, - snadné spuštění za nízkých teplot včetně nižších nároků na startovací výkon, - menší spotřeba mazacího oleje, - menší obsah CO, HC ve spalinách, který je určován vysokým přebytkem vzduchu při němž probíhá hoření paliva. Nevýhody spalovací turbíny: - velká měrná efektivní spotřeba paliva a tedy i malá ekonomičnost provozu, zejména při částečných zatíženích, - velký zástavbový prostor, - použití žáropevných slitin na lopatky a disky turbínových agregátů, - zvýšené požadavky na převody pro redukci otáček výstupního hřídele turbíny na otáčky vhodné pro převodovku vozidla, - nízká účinnost brzdění motorem a tedy zvýšené nároky na brzdovou soustavu vozidla (Vlk, 2004).

30

4 MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ Spalovací motor je v současnosti nejrozšířenějším zdrojem trakční energie mobilních dopravních prostředků. Nejefektivnějším způsobem hodnocení práce spalovacích motorů je měřením vybraných druhů veličin vnějšího projevu motoru. K tomuto účelu jsou využívána zkušební stanoviště tzv. výkonové zkušebny. Přesnost měření výkonových parametrů je ovlivněna mnoha faktory, které nelze úplně odstranit, ale zvýšením přesnosti měřícího zařízení a zvýšením počtu měřených veličin lze snížit celkovou chybu měření a dosáhnout přesnějšího výsledku (Beroun et al., 2001).

4.1 Výkonové parametry spalovacího motoru Na komplexní posouzení práce a hospodárnosti spalovacího motoru se používá několik základních veličin, které svými hodnotami zařazují příslušný spalovací motor na určitou úroveň. Mezi takové veličiny patří hlavně výkon motoru, měrná spotřeba provozních látek a účinnost motoru. Pro orientaci v provozních veličinách se používají tzv. charakteristiky spalovacích motorů.

4.1.1 Charakteristiky spalovacích motorů

Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami jakými jsou výkon P, točivý moment Mt, střední efektivní tlak p, otáčky motoru n, měrná spotřeba paliva mpe, hodinová spotřeba paliva Mph, teplota t, tlak aj. Podle zvolené nezávislé proměnné veličiny dělíme charakteristiky spalovacích motorů do těchto základních podskupin. Otáčková charakteristika, zatěžovací charakteristika,

regulační

charakteristika,

charakteristika.

31

úplná

charakteristika

a

zvláštní

4.1.1.1 Otáčková charakteristika spalovacího motoru

Znázorňuje závislost výkonu a ostatních důležitých veličin motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Používá se na posuzování vlastností motorů, které pracují s proměnlivými otáčkami. Je nejpoužívanější charakteristika. Vyskytují se jako součást technické dokumentace motorů, vozidel, pracovních strojů apod., v protokolech měření, v propagačních materiálech a prospektech výrobců a prodejců. Dále je dělíme na: 1. vnější charakteristiky – typické tím, že ovládání zařízení (pedál akcelerátoru), regulující výkon motoru, je nastavené na maximum v celém rozsahu otáček. Podle stupně a způsobu seřízení dodávky paliva se vnější charakteristiky dělí na (absolutní, na hranici kouření, provozní, jmenovitá). 2. částečné charakteristiky – svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišuji podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální. 3. zvláštní charakteristiky – zařazené pod skupinu rychlostních, které znázorňují závislosti základních veličin motoru pro určité vybrané režimy, respektive podmínky. Patří

sem

(vrtulová

charakteristika,

charakteristika

motoru

s regulátorem,

charakteristika chodu naprázdno) (Hlavňa et al., 2000).

4.1.1.2 Zatěžovací charakteristika spalovacího motoru

Zatěžovací charakteristika je znázornění závislosti spotřeby paliva, popř. dalších důležitých provozních veličin, na některé veličině charakterizující zatížení motoru (např. točivý moment při určitém nastavení otáček). Přitom se mění zátěžový moment z minimální na maximální hodnotu, pomocí změny polohy ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Jsou výhodné při posuzování stacionárních motorů, ale slouží také jako podklad na konstrukci úplných charakteristik motorů, při vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. (Hlavňa et al., 2000).

32

4.1.1.3 Regulační charakteristika spalovacího motoru

Regulační charakteristiky znázorňují závislost provozních veličin spalovacího motoru (Pe, Mk, Mp, mpe…) na některé konstrukční nebo provozní veličině, charakterizující seřízení motoru, například úhel předstihu (předvstřiku), součinitel přebytku vzduchu, otvírací tlak trysky, časování rozvodu, složení směsi apod. Při zjišťování charakteristiky měřením se mění jen sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny se podle možnosti udržují konstantní například otáčky, poloha regulačního orgánu, teploty atd. Regulační charakteristiky se využívají ve sféře výzkumu, vývoje, při navrhování systémů řízení nebo seřizování konstrukčních prvků, které ovlivňují výstupní hodnoty motoru (Hlavňa et al., 2000).

4.1.1.4 Úplná charakteristika spalovacího motoru Na komplexní posuzování spalovacích motorů z hlediska výkonu, točivého momentu, spotřeby paliva, teplot, škodlivin v exhalacích a dalších vedlejších veličin se v praxi uplatňuje úplná (celková) charakteristika, která v jednom diagramu umožňuje zobrazit několik závislostí současně pomocí průsečíkových diagramů. Nedá se získat měřením ani výpočtem přímo, ale je sestavená z otáčkové nebo zatěžovací charakteristiky přenosem bodů vybrané veličiny s konstantní hodnotou do souřadnicového systému Pe (redukovaný tlak) – n (otáčky motoru), respektive Mk (točivý moment) – n.

4.1.1.5 Zvláštní charakteristika spalovacího motoru Mezi

zvláštní

charakteristiky

spalovacího

motoru

můžeme

považovat

charakteristiku výškovou a přechodovou: - výšková charakteristika - vyjadřuje průběh provozních veličin spalovacího motoru v závislosti na nadmořské výšce, - přechodové charakteristiky - znázorňují v závislosti na čase provozních veličin spalovacího motoru v neustálených režimech. Uplatňují se při zkouškách samotných motorů ve zkušebnách při řešení dynamiky pohonů, při řešení problémů řízení a regulace spalovacích motorů v součinnosti s poháněnými spotřebiči atd. 33

Pro zážehové motory silničních motorových vozidel se dělají záznamy některých veličin motoru, především spotřeby a složení výfukových plynů ve stanovených režimech jízdy, kde jsou přechodové charakteristiky ve tvaru mpe = f (t), složky spalin (CO, CHx, NOx) = f (t) apod.

4.1.2 Měření výkonu Výkon patří mezi hlavní parametry motoru. Ve zkušebnictví vozidel je možné zjistit mechanický výkon především při rotačním pohybu (vozidlo na válcové zkušebně). Ten lze měřit pomocí točivého momentu a známých otáček. Pro měření točivého momentu se většinou používá deformačních členů. Moment síly namáhá měřící člen (hřídel s kruhovým průřezem) krutem, který se převádí na deformaci a měří tenzometrickými snímači nebo snímači výchylky. Jiné konstrukce využívají změny magnetických vlastností deformačního členu. Pro určení výkonu je nutno zároveň měřit otáčky rotujících součástí. Pro měření mechanického výkonu se ve zkušebnictví vozidel používají výkonové brzdy (dynamometry). Označení brzda je v tomto případě odvozeno z toho, že proti točivému momentu působí brzdný moment, jehož velikost buď známe, nebo můžeme měřit. Dynamometr se zatěžuje buď třením, odporem kapaliny nebo vzduchu, elektricky nebo pohonem jiného stroje (Vlk, 2001).

4.1.2.1 Dynamický výkon

Motor je krátkodobě zatížen odporem setrvačných hmot během jejich roztáčení. Výkon je v tomto případě stanoven výpočtem: výkon jest součinem točivého momentu a úhlové rychlosti, přičemž točivý moment je součinem momentu setrvačnosti a úhlového zrychlení. Při měření výkonu bývá obvykle zapojen analyzátor výfukových plynů, který zaznamenává údaje CO, CO2, HC, O2, NOx. Výkon motoru je násoben korekčním faktorem dle normy ISO DIN 1585 i ČSN 302008.

34

4.1.2.2 Statický výkon

Měření je prováděno při konstantních otáčkách motoru, který je zatížen dynamometrem – brzdou. Odečítají se otáčky dynamometru a jim odpovídající hodnota točivého momentu, který je snímán snímačem síly. Z těchto hodnot se následně zjišťuje výkon motoru.

4.1.3 Palubní diagnostika v systému zkoušek Palubní diagnostika vznikla za účelem monitorování všech parametrů vozidla, které mívají vliv na konečné složení výfukových spalin z hlediska objemu sledovaných škodlivých látek jako jsou oxid uhelnatý (CO), uhlovodíky (HC), oxidy dusíku (NOx), škodlivé částice (PT). Neboli jedná se o sledování všech částí, které mají byť i nepatrný vliv na zhoršení emisních vlastností vozidla. Nevztahuje se jen k procesu přípravy palivové směsi, následnému spalování a katalýze výfukových plynů, ale jsou tam zahrnuty i možné úniky paliva, ať již přímé nebo odparem z palivové nádrže. Všechna tato měření a vyhodnocování provádí řídící jednotka tzv. ECU, která analogové veličiny převádí do digitální podoby a srovnává s hodnotami, které má uložené v paměti. V případě neshody tyto jevy registruje a podle druhu signálu provede buď následné korekce nebo vyhodnotí stav jako závadu, přičemž je nutno si uvědomit množství signálů přiváděných do řídicí jednotky, kdy mikroprocesor musí provést určení jejich priority.

4.2 Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů

4.2.1 Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D (MEZSERVIS) K měření výkonu spalovacího motoru bez jeho demontáže z vozidla slouží válcový vozidlový dynamometr. Princip měření spočívá v tom, že výkon motoru je přenášen na hnací kola, která roztáčí válce dynamometru. Ty kladou otáčejícímu se kolu brzdný odpor. K válci jsou připojeny stejmosměrné elektrické dynamometry, které umožňují regulaci velikosti odporu.

35

Tento brzdný moment poté vyvolává reakční moment stejné velikosti (ale s opačným smyslem) a válce, které jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší reakční moment přes stator na tenzometr. Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení lze vypočítat výkon.

4.2.1.1 Konstrukce dynamometru zkušebny MZLU Kompletní vozidlová zkušebna Ústavu techniky a dopravy MZLU se skládá z dynamometru pro osobní automobily 4VDM E120-D a traktorového dynamometru VDU-E270T-E150T. Vozidlová zkušebna se dělí na tyto základní části – viz. obr. 5: 1) pevná část - přední monoválce pro osobní vozidla, 2) posuvná část - zadní monoválce pro osobní vozidla a přední válce pro traktory a nákladní vozidla, 3) pevná část s válci pro zadní nápravu traktoru a nákladního vozidla, 4) pojezdové profily a pohon pojezdu, 5) posuvné a pevné podlahy a kryty, 6) upevňovací zařízení pro osobní vozidla, traktory a bezpečnostní zábrany.

Pevná a posuvná část pro osobní vozidla se dělí na: 1) rám 2) válce se spojkou 3) dynamometry s ventilací 4) snímací rolny 5) ustavovací zařízení 6) přední náprava pro traktory.

Základ konstrukce vychází z tuhých rámů, na kterých jsou umístěny ložiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy je posuvný a dá se seřizovat na požadovaný rozvor, a to společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 - T.

36

Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Elektrické dynamometry SDS 225 5604 jsou propojeny s válcovými jednotkami pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami umožňující bezpečné najetí a zabrždění vozidla. Válcové jednotky mají také pneumaticky ovládané nájezdové a středící zařízení a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů a upevněné na základním rámu. Základní rám je umístěn v montážní jámě a je zalit betonem. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality drážky pro ukotvení a upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. Základní parametry dynamometru 4VDM E120-D jsou uvedeny v tab. 3. Součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa a množství vyměněného vzduchu činí až 25 000 m3/h. U výfukových plynů lze regulovat množství ručně nebo v závislosti na odebíraném výkonu motoru.

Dynamometr 4VDM E120D dále umožňuje měření těchto zkoušek: - zkoušky hnacího ústrojí – měření otáčkových charakteristik motoru a to statickou i dynamickou metodou, simulace vozovky, akcelerační zkouška, - zkoušky brzdové soustavy – měření brzd včetně ABS, - kalibrační testy – určení pasivních odporů pro vyhodnocení jednotlivých zkoušek, - doplňkové zkoušky – testování palubních přístrojů (tachometru, otáčkoměru), zkouška náhonu 4x4 (web3).

37

Obr. 5 Schéma kompletní zkušebny 4VDM E120-D a VDU E270T – E150T

Tab. 3 Základní mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D Parametr

Hodnota -1

Max. zkušební rychlost [km.h ]

200

Max. výkon na nápravu [kW]

240

Max. hmotnost na nápravu [kg]

2000

Průměr válců [m]

1,2

Šířka válců [mm]

600

Mezera mezi válci [mm]

900

Povrch válců

zdrsnění RAA 1,6

Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg]

1130

Min. rozvor [mm]

2000

Max. rozvor [mm]

3500

Zatížitelnost krytí

v místě jízdy [kg]

2000

v místě chůze [kg]

500

Tlakový vzduch [bar]

min. 4

Rozsah měření rychlosti [km.h-1]

0 - 200

Rozsah měření sil [kN]

4x ± 5

Přesnost měření rychlosti [km.h-1]

± 0,01

Přesnost měření sil [%]

± 0,25

Přesnost regulace rychlosti [%]

± 0,1

Přesnost regulace síly [%]

± 0,5

38

4.2.2 Emisní systémová analýza BOSCH ESA 3.250 Přístroje BOSCH ESA (Emisní Systémová Analýza – viz. obr. 6) je zařízení vyvinuté pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je řešena modulárně, což znamená, že její funkce je možné podle potřeb postupně rozšiřovat. Jako základ lze zvolit sestavy, které umožňují měření emisí zážehových (ESA 3.140), vznětových (ESA 3.110) nebo zážehových

a

vznětových

motorů

(ESA

3.250).

Měřit

lze

i

motory

poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva. ESA kromě plynných emisí kouřivosti zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je databanka předepsaných hodnot některých vozidel a databanka zákazníků. Databanku předepsaných hodnot ostatních vozidel lze doplnit jako zvláštní výbavu. ESA dále tiskne protokoly o měření emisí se všemi náležitostmi, automaticky čísluje protokoly, hlídá platnost osvědčení techniků, zajišťuje vedení evidence kontrolních nálepek, osvědčení a vypracovává pravidelná hlášení. Emisní systémová analýza je určena nejen pro úřední měření emisí, ale také pro diagnostiku a základní seřízení motoru. Jedná se o modulárně řešený systém, ve kterém je modul analyzátoru ETT 8.70/ETT 8.71, opacimetru RTM 430 a měřící modul MTM plus řízen počítačem (web3). 1 – Monitor 2 – Dálkové ovládání 3 – Inkoustová tiskárna 4 – Měřící modul MTM Plus 5 – Modul opacimetru RTM 430 6 – Klávesnice 7 – PC modul 8 – Modul analyzátoru ETT008.70-1 9 – Dílenský vozík Obr. 6 Emisní analyzátor BOSCH ESA 3.250

39

Modul analyzátoru ETT 8.70 (tab.4) provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO2, O2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (např. benzín, LPG, CNG a metanol). Modul ETT 8.71 je navíc připraven na montáž snímače pro měření NOx. Modul opacimetru RTM 430 se je řešen systémem vzduchových závěsů, který zaručuje vysokou přesnost měření a dlouhé intervaly údržby. Výfuková sonda s nastavitelnou délkou umožňuje bezproblémové připojení na výfuk i vozidel s extrémně krátkou nebo nezvykle tvarovanou koncovkou výfuku. Magnetické uchycení přijímače a vysílače zrychluje již tak velmi jednoduchou údržbu (web3).

Tab. 4 Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250 Měření

Měřící rozsah

Rozlišení

Počet otáček

0 - 9990 ot/min

10

Teplota oleje

0 - 150 °C

1 °C

Modul analyzátoru ETT 008.70 Oxid uhličitý

0,00-18,00 % obj.

0,01 % obj.

Oxid uhelnatý

0,000 - 10,00 %

0,001 % obj.

(CO)

obj.

Uhlovodíky (HC)

0 - 9999 ppm obj.

1 ppm obj.

Kyslík (02)

0,00 -22 % obj.

0,01 % obj.

Lambda

0,5 - 1,8

0,001

(CO2)

Modul opacimetru RT 430 Kouřivost

0 – 100 %

0,10 %

Opacita

0 – 10 1/m

0,01 1/m

40

4.3 Příprava směsi a plnění Mono-motronic je elektronicky řízené nízkotlaké centrální vstřikování paliva s integrovaným elektronickým zapalováním. Srdcem systému je vstřikovací jednotka s elektromagnetickým vstřikovacím ventilem, vstřikujícím přerušovaně palivo před škrtící klapku. Jednotlivé snímače a prvky systému hlásí řídící jednotce nejdůležitější provozní veličiny a stavy motoru. Elektronická řídící jednotka z těchto vstupních dat vypočítá signály pro vstřikovací ventil, nastavovač škrtící klapky, regenerační ventil a okamžik zážehu. Schéma palivové soustavy je znázorněno na obr. 7.

Obr. 7 Schéma systému Mono-motronic (s recilkulací spalin) 1 – vstřikovací ventil, 2 – snímač teploty nasávaného vzduchu, 3 – regulátor tlaku paliva, 4 – zapalovací trafo, 5 – regenerační ventil, 6 – nastavovač škrtící klapky, 7 – nádrž s aktivním uhlím, 8 – potenciometr škrtící klapky, 9 – řídící jednotka, 10 – palivový filtr, 11 – snímač otáček (Hallův snímač), 12 – snímač teploty motoru, 13 – lambda sonda, 14 – palivová nádrž, 15 – rozdělovač, 16 – elektrické palivové čerpadlo.

41

Zjednodušeně lze celý systém rozdělit do následujících funkčních oblastí: - palivový systém, - elektronické zapalování, - snímání a zpracování provozních dat.

4.3.1 Palivový systém

Palivový systém se skládá z následujících částí a prvků: - elektrické palivové čerpadlo, - regulátor tlaku paliva (v tělese vstřikovací jednotky), - jemný palivový filtr, - vstřikovací jednotka se vstřikovacím ventilem, - nádobka s aktivním uhlím, - regenerační elektromagnetický ventil.

Elektrické palivové čerpadlo

Elektrické dvoustupňové palivové čerpadlo je zabudované přímo v nádrži. První stupeň čerpadla dodává palivo do zásobníku obklopujícího čerpadlo. Ze zásobníku nasává druhý stupeň čerpadla a dodává palivo k elektromagnetickému vstřikovacímu ventilu řídící jednotky. Ve výstupním potrubí je zpětný ventil zabraňující zpětnému toku paliva a udržující po vypnutí zapalování po určitou dobu provozní tlak.

Regulace tlaku paliva

Konstantní rozdíl mezi tlakem paliva a okolního vzduchu je důležitý pro přesnou dávku paliva. Regulátor tlaku, který je integrovaný ve vstřikovací jednotce, udržuje tento rozdíl na hodnotě 0,1 MPa. Při odstavení motoru je ukončena také dodávka paliva. Zpětný ventil palivového čerpadla a regulátor tlaku se uzavřou a udržují určitou dobu tlak paliva v přívodním vedení. To zamezuje odpařování paliva, které se zahřívá od teplých částí motoru a tím jsou zaručeny příznivé podmínky pro následný start.

42

Jemný palivový filtr

Jemný palivový filtr zařazený mezi čerpadlem a vstřikovací jednotkou zabraňuje proniknutí nečistot z paliva ke vstřikovacímu ventilu. Aby bylo dosaženo optimální funkce a dlouhé životnosti systému je nutné dodržovat předepsané intervaly výměny filtrů a používat pouze originální a výrobcem doporučené filtry.

Vstřikovací jednotka

Centrální vstřikovací jednotka systému Mono-motronic je umístěna přímo na sacím potrubí. Kromě vstřikovacího ventilu a škrtící klapky obsahuje další prvky zajišťující činnost systému. Ve spodní části vstřikovací jednotky je škrtící klapka s potenciometrem měřícím úhel jejího natočení. Na konzole se zde dále nachází nastavovač škrtící klapky k regulaci volnoběžných otáček. Horní část zahrnuje důležité části palivového systému, vstřikovací ventil, regulátor tlaku paliva, palivové kanály a snímač teploty nasávaného vzduchu. Vstřikovací ventil vstřikuje palivo do prostoru před škrtící klapku. Úhel vstřiku je namířen přesně do štěrbiny mezi stěnou tělesa vstřikovací jednotky a škrtící klapkou. Frekvence vstřiku odpovídá zážehovým impulsům, počátek vstřiku a dobu otevření ventilu vypočítává řídící jednotka na základě vstupních dat a provozních stavů. Systém vstřikování musí odměřit a zajistit motoru jak minimální množství vstříknutého paliva (např. pro volnoběh), tak i maximální potřebné množství (plné zatížení). K jedné z nejdůležitějších úloh vstřikovací jednotky patří rovnoměrné rozdělení směsi paliva pro všechny válce. Protože je v systému konstantní tlak paliva, závisí skutečné vstřikované množství pouze na době otevření ventilu (času vstřiku).

Regenerace odpařeného paliva

Aby nedocházelo k dalšímu zatěžování životního prostředí sloučeninami uhlovodíků, musí být moderní systémy vybaveny zařízením pro zadržení a regeneraci odpařeného paliva. Palivová nádrž systému MonoMotronic je spojena s nádobkou s aktivním uhlím. Aktivní uhlí se vyznačuje schopností zachycovat palivo obsažené v párách paliva. Takto zachycené palivo je poté opět přiváděno do sacího traktu (web5). 43

5 VLASTNÍ MĚŘENÍ 5.1 Popis měřeného vozidla Pro měření bylo zapůjčeno vozidlo Škoda Forman 1.3i (technické údaje jsou uvedeny v tab. 5). Měřené vozidlo mělo namontováno zařízení vstřikování LPG s možností provozu na benzín nebo LPG.

Tab. 5 Technické údaje měřeného vozidla Označení vozu Karoserie Hmotnost provozní (kg) Hmotnost celková (kg) Zatížení nápravy přední/zadní (kg)

Škoda Forman 1,3i LPG pětimístná, pětidvéřová, typu kombi 920 1370 655/715

Rozvor (mm)

2450

Rozchod kol vpředu/vzadu (mm)

1415/1380

Pneumatiky

165/70 R13

Motor Zdvihový objem (cm3)

Řadový čtyřválec, palivo LPG/Natural 95 1289

Vrtání (mm)

75,5

Zdvih (mm)

72,0

Kompresní poměr

9,7 : 1

Max. výkon v kW/k při ot/min

50/68 při 5500

Max. toč. moment v Nm při ot/min

105 při 3700

Max. rychlost (km/h)

140

Zrychlení 0-100 km/h (s)

17,0

Hnaná náprava Převodovka Převodové poměry 1.

přední manuální, pětistupňová 3,308

2.

1,913

3.

1,267

4.

0,927

5.

0,717

Zpětný chod

2,923

Stálý poměr

4,167

44

5.2. Popis funkce LPG zařízení v měřeném vozidle Měřené vozidlo bylo vybaveno systémem jednobodového vstřikování LPG od firmy BRC. Systém je schválen pro hromadnou přestavbu do většiny užívaných vozů s jednobodovým vstřikováním paliva. Technické řešení zástavby ve vozidle je znázorněno na obr. 8 (Cedrych, 1999).

Obr. 8 Technické řešení zástavby pro vozidla Škoda Favorit/Forman 1 – tlaková nádrž na LPG, 2 – držák nádrže, 3 – plynotěsná schránka, 4 – multiventil, 5 – plnící hrdlo, 6 – vedení kapalné fáze LPG od multiventilu k provoznímu ventilu, 7 – přípojka dálkového vedení, 8 – provozní ventil, 9 – potrubí kapalné fáze LPG od provozního ventilu k výparníku, 10 – výparník (reduktor), 11 – regulační šroub, 12 – vedení plynné fáze LPG, 13 – směšovač, 14 – přepínací modul, 15 – hadice ohřevu výparníku z topného okruhu chladící soustavy, 16 – ventil v přívodu benzínu

Tento systém (znázorněný schématicky na obr. 9)pracuje tak, že kapalné LPG proudí z nádrže přes vícecestný ventil vysokotlakým potrubím do regulátoru – výparníku. Přítok je regulovaný elektrickým ventilem, který zůstává uzavřený, když je motor vypnutý nebo když spaluje benzín. Ve zplynovali přechází LPG ze stavu kapalného do plynného. Energie potřebná k odpaření je dodána ohřátou kapalinou z chladícího okruhu motoru. Odpařené LPG je přiváděno již nízkotlakým potrubím přes filtr LPG do vstřikovače.

45

Celé plynové zařízení ovládá benzínová řídící jednotka, kdy průběh řízení je odvozen od signálů benzínové vstřikovací trysky. Centrální jednotka LPG pak přepočítává pomocí modulátoru benzínových vstřiků dobu vstřiku plynného LPG a koriguje rozdílnosti paliv na základě dalších vstupů (Cedrych, 1999).

Obr. 9 Funkční schéma LPG soustavy 1 – výparník (reduktor), 2 – multiventil, 3 – tlaková nádrž LPG, 4 – přípojka dálkového plnění, 5 – provozní ventil LPG, 6 – regulační ventil, 7 – regulační šroub, 8 – směšovač, 9 – čistič vzduchu, 10 – přívod vzduchu, 11 – řídicí jednotka (BOSCH Mono-motronic), 12 – řídící jednotka plynového pohonu, 13 – přepínací modul, 14 – lambda sonda, 15 – výfukové potrubí s katalyzátorem, 16 – motor, 17 – těleso škrtící klapky (Cedrych, 1999)

46

5.2.1 Popis jednotlivých součástí zařízení LPG

5.2.1.1 Tlaková nádrž

Nádrž na LPG (obr. 10) se rozumí tlaková nádoba sloužící jako zásobník plynu k pohonu vozidla. V ČR je homologace udělena na nádrže válcového a toroidního tvaru. Nádrž je po namontování zkoušena na přetlak 3 Mpa. Její pevné umístění oddělené od prostoru kabiny, které rovněž podléhá homologaci, zaručuje bezpečné uložení nádrže při zrychlení do 20 g(g = tíhové zrychlení) ve směru podélném a do 8 g ve směru příčném při havárii vozidla. Je vyrobena z kvalitní oceli, obyčejně ze dvou nebo tří kusů (podle typu nádrže) spojených kontinuálním obloukovým svařením pod tavidlem. Nádrž je opatřena multiventilem a tím je dána i její poloha (multiventil je odkloněn o 30 o od vodorovné plochy proložené osou nádrže) (Vlk, 2004).

Obr. 10 Tlaková toroidní nádrž na LPG od firmy STAKO Norma předepisuje, že nádrž může být naplněna maximálně na 80 % její celkové kapacity a tak umožňuje udržet nádrž v bezpečných podmínkách i v případě, kdy dochází ke zvyšování teploty LPG. Z tohoto důvodu nesmí být také umístěna v motorovém prostoru a musí být zajištěna proti vlivům sálavého tepla tak, aby její povrch nepřekročil teplotu 40 oC. Pokud je od zdroje tepla blíže než 0,2 m, musí být nádrž na LPG izolována (Ščasný et al., 1994).

47

5.2.1.2 Multiventil Víceúčelový ventil (obr. 11) je pevně spojen s nádrží a součástí jsou stavoznak (tlakoměr) a plynotěsná schránka. Multiventil zajišťuje funkce provozní a bezpečnostní.

Provozní funkce při odebírání LPG z nádrže: - plnění nádrže pouze do 80% jejího objemu (20% objemu je tzv. bezpečnostní zóna), - stavoznak (tlakoměr) ukazuje stav paliva v nádrži.

Bezpečnostní funkce: - zastavení toku paliva při poruše potrubí, tedy úniku plynu nad 6 litrů za minutu, - vypouštění plynu při přetlaku vyšším než 2,5 MPa do prostoru pod vozem.

Multiventil je vybaven dvěma ventily s ručním ovládáním. Prvním ventilem se uzavírá plnění nádrže, tj. potrubí od dálkového plnění LPG (plnícího hrdla). Tím druhým ventilem se uzavírá výtok plynu z nádrže k ventilu LPG. Na multiventilu je stavoznak – ukazatel množství plynu v nádrži s ručičkou. Přenos pohybu plováku na ručičku ukazatele je řešen umístěním permanentního magnetu v tělese ventilu, jehož umístění je od ukazatele odděleno nemagnetickou přepážkou, která tvoří část základního tělesa multiventilu. Tento způsob přenosu pohybu plováku na ukazatele vylučuje možnost úniku LPG. V pravé části jeho stupnice je červené pole, do kterého nesmí ručička tlakoměru nikdy zasáhnout. Toto pole označuje bezpečnostní zónu (Vlk, 2004).

Obr. 11 Multiventil

48

5.2.1.3 Plynotěsná schránka

Plynotěsná schránka zajišťuje hermetické oddělení multiventilu a jeho připojovacích prvků od kabiny karosérie. Přetlakový ventil odpustí odtokem plyn přes plynotěsnou schránku vždy, když je přetlak v nádrži vyšší než 2,5 MPa (Cedrych, 1999).

5.2.1.4 Přípojka dálkového plnění

Přípojka dálkového plnění je vyvedena na vnější stranu karosérie a je zakončena plnícím hrdlem. Šroubovací plastová zátka zabraňuje znečištění zpětného ventilu v plnícím hrdle (Vlk, 2004).

5.2.1.5 Tlakové potrubí

Spojuje vzájemně přípojku plnění s nádrží LPG a dále nádrž LPG s uzavíracím ventilem a ten s reduktorem. Úseky potrubí mezi jednotlivými komponenty musí být provedeny vždy z jednoho kusu bez rozebíratelných spojů. Vyrobeno je z temperované mědi, která snese provozní tlak až 45 barů a může se podle potřeby ohýbat při použití vhodných nástrojů. Pro spojení trubek s armaturami se mohou použít pouze mechanické spojky, zajišťující pevnost a těsnost. Po celé délce instalace je potrubí upevněno ke karosérii ocelovými podpěrami vždy po 0,8 m přišroubovanými samopřeznými šrouby a musí umožňovat vizuální kontrolu. Vedení potrubí LPG musí být vzdáleno od výfukové soustavy min. 0,2 m a jeho teplota nesmí překročit 40 oC (Ščasný et al., 1994).

5.2.1.6 Provozní uzavírací ventil Provozní elektromagnetický ventil (obr.12) LPG uzavírá plynový systém při provozu na benzín a také při vypnutém zapalování. Je-li ventil pod napětím (+12 V), je otevřený pro průchod plynu. Provozní ventil má ve své spodní části filtr zabraňující vnikání mechanických nečistot do výparníku. 49

Povolením spodního šroubu ventilu je možné provést čištění odkalovací komory a výměnu filtru. Provozní ventil je umístěn v motorovém prostoru automobilu a je vřazen do vedení kapalné fáze LPG (potrubí mezi nádrží a výparníkem) (Vlk, 2004).

Obr. 12 Provozní elektromagnetický ventil 5.2.1.7 Výparník – reduktor Reduktor (obr.13) je zařízení, které umožňuje snížit vstupní tlak tekutého LPG na definovaný výstupní tlak plynné fáze. Pro kompenzaci úbytku tepla, způsobeného expanzi tekutého LPG, je využito cirkulace kapaliny z chladícího systému motoru. Výstupní část plynné fáze LPG z výparníku je propojena přes regulační šroub se směšovačem, který dodává plynnou směs do sacího traktu motoru (to platí pouze pro výparníky typu BRC – jiné typy výparníků ovládá například podtlak v sacím traktu motoru). Při zastavení motoru automobilu (vypnutím zapalování nebo samovolným zhasnutím) je tato část okruhu uzavřena elektronicky řízeným ventilem (Vlk, 2004).

Obr. 13 Reduktor od firmy BRC

50

5.2.1.8 Regulační šroub Regulační šroub reguluje nejvyšší množství plynu dodaného do směšovače (při maximálním výkonu motoru) (Cedrych, 1999).

5.2.1.9 Směšovač Směšovač slouží k optimálnímu promíchání směsi plyn-vzduch. Je zastavěný do sacího traktu. Jeho přesný tvar i umístění jsou dány typem motoru (Cedrych, 1999).

5.2.1.10 Přepínací modul Přepínací modul slouží k přepínání (kolébkový překlápěcí spínač B-O-G obr. 14) zvoleného druhu pohonné hmoty (benzín nebo plyn). Je umístěn obvykle v zorném poli řidiče a je osazen LED diodou, signalizující červenou barvou provoz na benzín, zelenou barvou provoz na LPG. Přepínací modul může být na přání zákazníka a za příplatek vybaven ještě světelnou signalizací stavu hladiny plynu v nádrži LPG. Při startu s polohou přepínače na pohon LPG nastartuje vozidlo na benzín a až po splnění podmínek nutných pro přepnutí na LPG (např. teplota reduktoru, otáčky motoru, atd.) automaticky přepne na LPG (Vlk, 2004).

Obr. 14 Kolébkový přepínací modul

51

5.3 Měření úplné charakteristiky 5.3.1 Příprava měřícího stanoviště Pro měření parametrů motoru byl použit automobil Škoda Forman 1.3 GLXi. Před zkouškou výkonu na válcové zkušebně je nutno zkontrolovat, zda jsou na hnacích kolech použity předepsané pneumatiky a zkontrolovat upevnění vyvažovacích tělísek. Tlak v pneumatikách má dosahovat horní hranice stanovené výrobcem vozidla. Dále bylo nutné nastavit pracovní válce vozidlového dynamometru na požadovaný rozvor zkoušeného vozidla. Dál bylo nutné zabezpečit vozidlo pomocí zábran viz. obr. 15 a obr. 16, které pomocí šroubů pevně drží na konstrukci podlahy dynamometru a zabraňují vozidlu nežádoucí pohyb do všech stran a předchází případnému sjetí měřeného vozidla z měřících bubnů za vysokých rychlostí.

Obr. 15 Ustavení vozidla na měřícím stanovišti – zezadu

Obr. 16 Ustavení vozidla na měřícím stanovišti - zepředu

52

Následovala ustavení vzduchotechniky viz. obr. 17, nahrazující při zkoušce náporové chlazení, jako při jízdě vozidla. Před spuštěním motoru se musí na výfuk nasadit odsávací zařízení. Dále byl do motorového prostoru instalován snímač teploty oleje.

Obr. 17 Vzduchotechnika Úplná charakteristika se vyhodnocuje z dílčích měření, při různých polohách akcelerátoru ( 100% až 15%)proto bylo nutné na plynový pedál vyrobit stavitelný přípravek (obr. 18), kterým bylo možné nastavit požadovanou polohu pedálu a bez změny ji držet po dobu zkoušky v daném režimu.

Obr. 18 Stavitelný přípravek na pedál akcelerátoru Vlastní zkouška se kvůli reprodukovatelnosti výsledků musí provádět na určitý rychlostní stupeň a také je potřeba zaznamenat teplotu okolí, atmosférický tlak a relativní vlhkost vzduchu (viz. tab. 6).

53

Tab. 6 Podmínky měření 10.10.2007 Okolní podmínky měření Jednotky o Teplota C 22 Relativní vlhkost (%) 54 Atmosférický tlak kPa 99,65 Následuje kalibrace zkušebny, měření pasivních ztrát a měření výkonu. Nejdřív bylo nutno zapojit analyzátor výfukových plynů, který zaznamenává údaje CO, CO2, HC, O2, NOX a zahřát vozidlo na provozní teplotu. Měření výkonu bylo provedeno dvěma způsoby a to dynamicky a staticky.

5.3.2 Měření spotřeby paliva Spotřeba paliva byla zjišťována přímo z řídící jednotky vozidla (l*h-1) a následně přepočítána na měrnou spotřebu (g*kW-1*h-1).

5.3.3 Kalibrační testy Kalibrace automobilu je nezbytná pro další měření dynamických a především statických zkoušek motoru. Nejdříve se zkušebna nakalibrovala pro statické zkoušky výkonu, kde byly stanoveny pasivní odpory motorickým chodem dynamometru při různých rychlostech vozidla od 50 – 150 km/h, tyto naměřené pasivní odpory byly uloženy do centrálního počítače a dále se s nimi počítalo při měření statických zkoušek. Protokol z měření je uveden v příloze 1.

5.3.4 Měření statických zkoušek Statické zkoušky jsou potřebné k vyhodnocení úplné charakteristiky motoru. Jde o měření prováděné při konstantním nastavení polohy akcelerátoru, přičemž je motor zatěžován momentem generovaným dynamometrem s opačným smyslem působení proti smyslu točivého momentu motoru. Jsou odečítány otáčky, resp. obvodová rychlost válců dynamometru a celková síla na rameni dynamometru měřená tenzometrickým snímačem. Celková síla je dána součtem pasivních odporů vozidla i zkušebny, ale i dynamickou složkou hnací síly.

54

Z těchto údajů je vypočítán výkon (F*v) a při znalosti otáček motoru je výkon přepočten na hodnotu točivého momentu. Měření bylo prováděno při plném zatížení 100%, dále při 74% až 15% zatížení motoru. Jednotlivé protokoly z měření jsou uvedeny v přílohách 7- 30.

5.3.5 Měření dynamických zkoušek Při dynamické zkoušce je motor krátkodobě zatížen odporem setrvačných sil válců zkušebny. Motor akceleruje z rychlosti 40 km/h až na rychlost 137 km/h, kdy jsou změřeny výkonové parametry vozidla. Při deceleraci jsou změřeny pasivní odpory vozidla. Během měření je sledována síla vytvářející ztrátový moment (třecí moment) a zejména úhlové zrychlení, resp. zpomalení. Operátorem zkušebny bylo nastaveno automatické ovládání v režimu rychlosti 40 – 137 km/h. Naměřené hodnoty byly zaznamenány s frekvencí 18 Hz (resp. 55 ms) do centrálního počítače. Protokol z této zkoušky je uveden v příloze 6.

55

5.4 Vyhodnocování úplné charakteristiky Naměřené a vypočtené hodnoty jsou ukládány do centrálního počítače a následně převedeny do tabulkového formátu Excel. Prvním krokem bylo nezbytné provést vytřídění hodnot, které se dále používaly pro vykreslení jednotlivých otáčkových charakteristik jako jsou výkon motoru P, točivý moment Mt, otáčky motoru n a měrná spotřeba paliva mpe. Při vykreslování úplné charakteristiky se jako základní veličiny používají nejčastěji točivý moment Mt (Nm) nebo výkon motoru P (kW), v závislosti na otáčkách motoru n (min-1). Jako sledovanou veličinu můžeme z našeho měření použít měrnou spotřebu paliva mpe (g*kW-1*h-1). Při kreslení úplné charakteristiky je nejprve vykreslena jmenovitá křivka točivého momentu, která charakterizuje motor při plném zatížení (úplné sešlápnutí pedálu akcelerátoru). Ze všech měření statických zkoušek, při jednotlivých zatíženích 100 % až 15 % polohy akcelerátoru jsou vykresleny body sledované veličiny měrné spotřeby paliva.

5.4.1 Vzorce pro výpočet

Výkon motoru: P = Fc * v (kW) Fc – celková síla (kN)

v – rychlost válců (m/s)

Hmotnost teoreticky nasátého vzduchu: V * ρ * n  -1 mt =  M  * 1000 (g*s ) z  

ρ - hustota vzduchu 1,166 (kg*m-3)

VM – zdvihový objem motoru (m3)

z – počet otáček motoru na nasátí zdvihového objemu (-)

n – otáčky motoru (s-1)

Měrná spotřeba paliva: mpe =

Q p * ρ p *10 3 P

-1

(g*kW-1*h-1) ρp = hustota paliva (kg*m-3)

Qp = spotřeba paliva (l*h )

56

6 VYHODNOCENÍ NAMĚŘENÝCH ZKOUŠEK 6.1 Kalibrační zkouška

Obr. 19 Protokol kalibrace pro statické zkoušky výkonu Na obr. 19 je vykreslena křivka pasivních odporů, jejíž hodnoty se dále používaly při měření statických zkoušek. Z grafu můžeme vyčíst téměř lineární nárůst pasivních odporů, při zvyšující se rychlosti vozidla. Koeficienty rovnice, popisující tyto pasivní odpory, vidíme v horní části obrázku (koeficienty odporu). Pro lepší představu jsou pasivní odpory v kN přepočítány na výkon v kW na obr. 20.

57

3,5

Ztráta výkonu[kW]

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140 150

Rychlost vozidla[km/h]

Obr. 20 Ztráty výkonu v závislosti na rychlosti vozidla

Při zvyšující se rychlosti vozidla narůstají ztráty výkonu jak sami můžeme vidět v grafu na obr. 20. Při rychlosti automobilu 25 km/h, jsou ztráty výkonu (od motoru na kola) vlivem pasivních odporů 0,7 kW. Při maximální zkoušené rychlosti 145 km/h vzrostl zmařený výkon až na 3,1 kW.

6.1.1 Kalibrace tachometru Protokol z této zkoušky je uveden v příloze 1.

6.1.2 Kalibrace rychlosti v závislosti na otáčkách motoru Protokol z této zkoušky je uveden v příloze 2.

V obou případech těchto kalibrací vidíme značné diference mezi skutečnými a naměřenými hodnotami. Při kalibraci v maximální rychlosti je rozdíl mezi skutečnou a naměřenou hodnotou 2,1 km/h. Tato diference už se nezvyšuje s nárůstem rychlosti. Kalibrace rychlosti a tachometru je pouze informativní a nemá vliv na následné měření a vyhodnocování úplné charakteristiky.

58

6.2 Dynamická zkouška Podrobněji popsána metodika měření této zkoušky je v kapitole 5.3.5. Měřením této zkoušky bylo dosaženo maximálního výkonu 37,6 kW při otáčkách 5000 min-1, oproti udávaným 50 kW při otáčkách 5500 min-1. Průběh jednotlivých křivek můžeme vidět na obr. 21.

Obr. 21 Dynamická zkouška motoru

6.3 Statické zkoušky Podrobněji popsána metodika měření této zkoušky je v kapitole 5.3.4. Jednotlivé zkoušky byly měřeny při zatíženích motoru od 100% až po 15% sešlápnutí plynového pedálu. Průběhy točivého momentu, výkonu motoru při dodávce paliva na 100% a lambdy vidíme na grafickém znázornění na obr. 22 a obr. 23. Maximálních hodnot točivého momentu 86,7 Nm bylo dosaženo při ot. 2790 min-1 na benzín a 87,8 Nm při ot. 2330 min-1. Až při ot. 5050 min-1 bylo dosaženo maximálního výkonu motoru na benzín 36,2 kW a na alternativní palivo 35,4 při ot. 5050 min-1.

59

Obr. 22 Statická metoda zkoušky na palivo Natural 95

Obr. 23 Statická metoda zkoušky na palivo LPG

60

6.3.1 Nespálené uhlovodíky – HC V grafu (obr. 24) je vynesen průběh obsahu emisí HC v závislosti na otáčkách motoru. Lze sledovat, že při provozu motoru ve středních otáčkách na benzín Natural 95 obsah HC stoupá až k 250 ppm, zatímco při provozu na LPG klesá až ke 130 ppm. Z grafu můžeme vyčíst, že při provozu na LPG je výrazně méně zatěžováno životní prostředí nespálenými uhlovodíky než při provozu na benzín Natural 95.

Nespálené uhlovodíky HC (ppm)

300

250

200

150

100

50

0 1500

2500

3500

4500

5500

-1

Otáčky motoru n (min ) LPG

Natural 95

Obr. 24 Závislost nespálených uhlovodíků HC na otáčkách motoru (příloha 7 a 8)

6.3.2 Oxid uhelnatý – CO Na grafu (obr. 25) závislosti obsahu emisí CO na otáčkách motoru můžeme sledovat, že při pohonu na LPG se hodnoty CO pohybují okolo 3 %. Při pohonu na benzín Natural 95 je průběh prudce vzrůstající v celé škále otáček motoru. V rozsahu otáček do 3600 min-1 , tedy tam kde motor pracuje nejčastěji, lze sledovat nižší hodnoty CO při provozu na benzín Natural 95, oproti pohonu na LPG.

61

9 8

Oxid uhelnatý CO (%)

7 6 5 4 3 2 1 0 1500

2500

3500

4500

5500

6500

-1

Otáčky motoru n (min ) LPG

Natural 95

Obr. 25 Závislost oxidu uhelnatého CO na otáčkách motoru (příloha 7 a 8)

6.3.3 Oxidy dusíku – NOx V grafu (obr. 26) je vynesen průběh obsahu emisí NOx v závislosti na otáčkách motoru. Lze sledovat, že v rozsahu otáček do 3100 min-1, tam motor pracuje nejčastěji, má benzín Natural 95 vyšší hodnoty NOx než při provozu na LPG.

Oxidy dusíku NOx (ppm)

2500 2000 1500 1000 500 0 1600

2100

2600

3100

3600

4100

4600

5100

5600

Otáčky motoru n (min-1) LPG

Natural 95

Obr. 26 Závislost oxidu dusíku NOx na otáčkách motoru (příloha 7 a 8) 62

6.3.4 Oxid uhličitý – CO2 Z průběhu obsahu CO2 je možné posuzovat kvalitu spalování. Na grafu (obr. 27) závislosti obsahu emisí CO2 na otáčkách motoru můžeme sledovat, že při pohonu na LPG je hodnota CO2 11 % v rozmezí jednoho procenta v celém průběhu otáček, zatímco hodnota CO2 u benzínu Natural 95 z počátečních 14 % klesla při maximálních otáčkách na hodnotu 10 %. Z toho vyplývá, že v oblasti středního zatížení při otáčkách cca 3000 min-1, kde dochází k nejlepšímu spalování, má LPG lepší hodnoty jak benzín Natural 95.

Oxid uhličitý CO 2 (%)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 1600

2100

2600

3100

3600

4100

4600

5100

5600

Otáčky motoru n (min-1) LPG

Natural 95

Obr. 27 Závislost oxidu uhličitého CO2 na otáčkách motoru (příloha 7 a 8)

6.4 Vyhodnocení úplné charakteristiky z měrné spotřeby paliva Úplnou charakteristiku, sestrojenou z křivek měrné spotřeby paliva při jednotlivých režimech zatížení motoru pro pohon na LPG vidíme na obr. 28 a pro pohon na benzín Natural 95 na obr. 29. Tato úplná charakteristika byla naměřena na voze Škoda Forman 1,3 Glxi. Statické zkoušky byly změřeny při 100 % až 15 % sešlápnutého plynového pedálu. Hodnotami každého měření byl proložen polynom čtvrtého stupně.

63

100

Moment motoru (Nm) .

75

40

30

50

20

25 10

0 1500

0

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

-1

Otáčky motoru (min )

Obr. 28 Úplná charakteristika LPG vytvořená z měrné spotřeby paliva

100

Moment motoru (Nm) .

75

40

30

50

20

25 10

0 1500

0

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

-1

Otáčky motoru (min )

Obr. 29 Úplná charakteristika Natural 95 vytvořená z měrné spotřeby paliva

Z vytvořené úplné charakteristiky pro LPG a Natural 95 vidíme jednotlivá pole měrných spotřeb, kdy minimální měrné spotřeby paliva, v obou případech, je dosaženo při maximálním využití točivého momentu pro LPG 86,7 Nm a pro Natural 95 87.8 Nm. Minimální naměřená hodnota byla pro alternativní palivo LPG 240 g*kW-1*h-1 a pro benzín Natural 95 230 g*kW-1*h-1 a bylo jí dosaženo v obou případech v otáčkách v rozmezí 2300 – 2800 min-1 a při výkonu motoru 20 – 25 kW.

64

7 DISKUZE A ZÁVĚR Cílem mé diplomové práce bylo změřit výkonové parametry zážehového motoru n benzín (Natural 95) a alternativní palivo (LPG) a z naměřených hodnot sestrojit úplnou charakteristiku motoru. Pro toto měření jsem si zvolil automobil Škoda Forman 1.3i s jednobodovým vstřikováním systému Bosch Mono-motronic. Všechna měření byla provedena v laboratorních podmínkách Ústavu techniky a automobilové dopravy MZLU v Brně na vozidlovém dynamometru. Tenhle typ dynamometru umožnil velmi přesné změření parametrů, bez potřeby demontáže motoru z vozidla.

Výsledky měření Při vyhodnocení výsledků bylo zjištěno, že motor 1.3i má značnou ztrátu výkonu. Výkon tohoto motoru při jmenovité dodávce benzínu Natural 95 dosahoval hodnoty 36,2 kW při otáčkách 5050 min-1 a na palivo LPG dosahoval hodnoty 35,4 kW při otáčkách 5050 min-1, oproti hodnotě udávané výrobcem vozidla 50 kW při otáčkách 5500 min-1. Hodnoty točivého momentu taktéž nedosahovaly hodnot udávaných výrobcem vozidla. Při statické zkoušce na benzín Natural 95 bylo dosaženo hodnot 87,8 Nm při otáčkách motoru 2330 min-1 a na LPG bylo dosaženo hodnot 86,7 Nm při otáčkách 2790 min-1 vzhledem k hodnotám výrobce 105 Nm při 3700 min-1. Ztráta výkonu a tím i točivého momentu byla způsobena zvýšením teploty plnícího vzduchu vlivem přestupu tepla z motorového prostoru do nasávaného vzduchu a částí motoru, se kterými přichází do styku. Přesto dosáhl výborných parametrů i když už má najeto přes 160 tisíc kilometrů. Souhrně lze říci, že z hlediska užitných vlastností motoru, tedy výkonu a točivého momentu, je výhodnější pohon motoru na Natural 95 než na LPG (pokles výkonu při pohonu LPG asi o 3 % a točivého momentu o 2 %). Ovšem z hlediska emisí výfukových plynů a spalování směsi je nutné konstatovat, že provoz motoru na alternativní palivo LPG je výhodnější jak klasické palivo benzín Natural 95. V současnosti se nejvíce uplatňuje alternativní palivo LPG, zatímco v blízké budoucnosti to bude CNG a bioetanol. Vzdálenější budoucnost pak jednoznačně bude patřit vodíku a palivovým článkům.

65

Žádné z alternativních paliv není v současné době schopné soupeřit s motorovými palivy vyráběnými z ropy. Klasická kapalná paliva určitě přežijí dalších 50 let i když zdrojem pro jejich výrobu bude stále více syntetická ropa. Budoucnost je v synergii klasických a alternativních paliv. Velice důležitým hlediskem posuzování alternativních paliv je i jejich ekonomická výhodnost použití ve vozidle a návratnost vložené investice. Stanovení rentability není jednoduché s ohledem na další vlivy provozu vozidla na LPG. Pro orientaci uvádím návratnost investic vložených do přestavby na jednoduchém příkladě (přestavba testovaného automobilu Škoda Forman Glxi uskutečněná v dubnu 2005).

Cena přestavby vozidla Škoda Forman Glxi na LPG: 19 900 Kč (Havířov, duben 2005) Cena paliva LPG: 13,50 Kč/l (plnící stanice Bělotín, květen 2008) Cena paliva Natural 95: 32,50 (plnící stanice Bystřice, květen 2008) Normovaná spotřeba paliva: na LPG – 8,2 l/100 km na Natural 95 – 7,5 l/100 km Náklady na 1 km: na LPG – 1,107 Kč/km na Natural 95 – 2,438 Kč/km Návratnost vložených investic v km provozu: 1 = [(1,107*x)+(19900)]/(2,438*x) x = 14 950 km.

Návratnost vložené investice do přestavby testovaného automobilu Škoda Forman Glxi na LPG se vrátila už po ujetí 14 950 km provozu na LPG.

66

8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BEROUN, S., A KOL., Vliv seřízení motoru a druhu paliva na parametry pracovního oběhu, Motorsympo, 2001, pp. 9, s. 143-151, ISBN 80-01-02382-6

CEDRYCH, M. R., Jezdíme na plyn. Praha: Grada Publishing, 1999, 140 s. ISBN 807169-719-2

HLAVŇA, V., A KOL., Dopravný prostriedok - jeho motor. Žilina: EDIS, 2000, 442 s. ISBN 80-7100-665-3

JIROUŠ, M., MACHALA, M., MAREK, J. Praktické jízdy s alternativním pohonem. Svět motorů, 2008, č. 18, s. 8-10.

KAMEŠ, J. Alternativní pohony automobilů. Praha: Nakladatelství BEN, 2004, 1. vydání, 223 s. ISBN 80-7300-127-6

PAVLŮSEK, A., PAVLŮSEK, O. Sportovní a závodní automobily. Brno: Computer Press, 2007, 180 s. ISBN 978-80-251-1640-1

PETRÁS, Z., TRONÍČEK, J., RŮŽIČKA, A. Měření emisí BOSCH - divize automobilové diagnostiky. Praha: 1997, 63 s.

ŠTENGL, M., Úsporné modely Škodovky budou zelené. Auto-tip, 2008, č. 9, s. 28-29.

ŠČASNÝ, J., KUBA, J. Pohon automobilů na propan-butan LPG, 1994, 74 s.

VACEK, Z.,Přehled alternativních paliv. Auto-tip, 2008, č. 6, s. 52.

VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Nakladatelství Vlk, 2004, 1. vydání, 234 s. ISBN 80-239-1602-5

VLK, F. Koncepce motorových vozidel. Brno: Nakladatelství Vlk, 2000, 1. vydání, 367 s. ISBN 80-238-5276-0 67

VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel. Brno: Nakladatelství Vlk, 2006, 1. vydání, 376 s. ISBN 80-239-6461-5

VLK, F., Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. Brno: Nakladatelství Vlk, 2001, 1. vydání, 575 s. ISBN 80-238-6573-0

Internetové zdroje web1: http://www.tipcars.com web2: http://www.primagas.cz web3: http://www.af.mendelu.cz/autozkusebna web4: http://www.cng.cz web5: http://www.skoda.panda.cz

68

9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Český osobní automobil Wikov– 30. léta 20.století ........................................... 12 Obr. 2 Propan-butan....................................................................................................... 17 Obr. 3 BMW řady 7 ....................................................................................................... 26 Obr. 4 Honda Civic Hybrid............................................................................................ 28 Obr. 5 Schéma kompletní zkušebny 4VDM E120-D a VDU E270T – E150T ............. 38 Obr. 6 Emisní analyzátor BOSCH ESA 3.250 .............................................................. 39 Obr. 7 Schéma systému Mono-motronic (s recilkulací spalin)...................................... 41 Obr. 8 Technické řešení zástavby pro vozidla Škoda Favorit/Forman .......................... 45 Obr. 9 Funkční schéma LPG soustavy........................................................................... 46 Obr. 10 Tlaková toroidní nádrž na LPG od firmy STAKO ........................................... 47 Obr. 11 Multiventil ........................................................................................................ 48 Obr. 12 Provozní elektromagnetický ventil ................................................................... 50 Obr. 13 Reduktor od firmy BRC.................................................................................... 50 Obr. 14 Kolébkový přepínací modul ............................................................................. 51 Obr. 15 Ustavení vozidla na měřícím stanovišti – zezadu............................................. 52 Obr. 16 Ustavení vozidla na měřícím stanovišti - zepředu ............................................ 52 Obr. 17 Vzduchotechnika .............................................................................................. 53 Obr. 18 Stavitelný přípravek na pedál akcelerátoru....................................................... 53 Obr. 19 Protokol kalibrace pro statické zkoušky výkonu .............................................. 57 Obr. 20 Ztráty výkonu v závislosti na rychlosti vozidla................................................ 58 Obr. 21 Dynamická zkouška motoru ............................................................................. 59 Obr. 22 Statická metoda zkoušky na palivo Natural 95................................................. 60 Obr. 23 Statická metoda zkoušky na palivo LPG .......................................................... 60 Obr. 24 Závislost nespálených uhlovodíků HC na otáčkách motoru (příloha 7 a 8)..... 61 Obr. 25 Závislost oxidu uhelnatého CO na otáčkách motoru (příloha 7 a 8) ................ 62 Obr. 26 Závislost oxidu dusíku NOx na otáčkách motoru (příloha 7 a 8) ..................... 62 Obr. 27 Závislost oxidu uhličitého CO2 na otáčkách motoru (příloha 7 a 8) ................ 63 Obr. 28 Úplná charakteristika LPG vytvořená z měrné spotřeby paliva ....................... 64 Obr. 29 Úplná charakteristika Natural 95 vytvořená z měrné spotřeby paliva.............. 64

69

10 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Emisní předpisy Evropské unie (hodnoty v g/km) ............................................. 16 Tab. 2 Fyzikální vlastnosti LPG .................................................................................... 17 Tab. 3 Základní mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D ........................ 38 Tab. 4 Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250 ........................... 40 Tab. 5 Technické údaje měřeného vozidla .................................................................... 44 Tab. 6 Podmínky měření 10.10.2007............................................................................ 54

70

11 PŘÍLOHY

71

Seznam příloh Protokoly ze zkušebny MZLU 1 - 30

72