Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Optimalizace parametrů vozidlového motoru Disertační práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.
Ing. Marek Žák
Brno 2014
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem disertační práci na téma „Optimalizace parametrů vozidlového motoru“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Disertační práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího disertační práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne …………………………………. podpis autora ……………………….
PODĚKOVÁNÍ Tímto
bych
chtěl
poděkovat
vedoucímu
disertační
práce
panu
doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za odborné vedení a cenné rady a věcné připomínky, které mi během řešení disertační práce poskytnul. Dále bych chtěl poděkovat doc. Ing. Jiřímu Čuperovi Ph.D., doc. Ing. Martinu Fajmanovi Ph.D. a Ing. Jiřímu Kubínovi za pomoc při přípravě a realizaci experimentálních měření. Za morální podporu bych chtěl též poděkovat své manželce Mgr. Lence Žákové.
ABSTRAKT Tato disertační práce se zabývá problematikou spalovacích motorů motorových vozidel, schopných spalovat více paliv. Práce objasňuje principy funkce a konstrukce takových systémů a zaměřuje se na systémy spalující lihobenzinové směsi. Problematika je zde prezentována nejen z hlediska technického a funkčního řešení systémů, ale i z hlediska legislativního, ekonomického, ekologického a bezpečnostního. V práci jsou prezentovány metody detekce obsahu etanolu v lihobenzinové směsi, jejich výhody a nevýhody vzhledem k výše popsaným hlediskům. Je zde prezentována nám dosud neznámá metoda detekce etanolu v benzínu založená na měření indexu lomu světla dané směsi paliva. Metoda je detailně popsána a její platnost experimentálně ověřena na komerčních palivech dostupných na českém trhu. Experimentální část práce obsahuje také návrh řídících algoritmů motoru používajících tuto metodu detekce paliva. Funkčnost navržených algoritmů byla ověřena měřením na motorové zkušebně. Jak z výsledků práce vyplývá je navržené řešení flex-fuel (FF) systému funkční a spolehlivější oproti stávajícím nejrozšířenějším systémům.
Klíčová slova: etanol, flex-fuel, index lomu, refrakce
ABSTRACT The thesis deals with internal combustion engines (ICE) that are able to burn more types of fuels. It clarifies the principles of function and construction of such systems with special attention to flex-fuel systems. The issue is being presented not only from the technical and functional solution point of view, but also with regard to its legislative, economical, ecological and safety demands. Ethanol detection methods in ethanol-gasoline blend, their advantages and disadvantages concerning the above mentioned viewpoints are being presented in this thesis. Furthermore, a new method of ethanol in fuel mixture detection, which has not been known to us before, is being introduced. This method is based on fuel mixture refraction index measurement and is described in detail in this thesis. The method was verified by experiments carried out on commercially available fuel blends in the Czech market. The experimental part of this thesis also includes the design of ICE driving algorithms using this fuel detection method. Correctness of the designed algorithms has been verified by measuring on the engine dynamometer. The results of the thesis show that the designed flex-fuel system solution works well and is even more reliable than contemporary systems usually used.
Key words: ethanol, flex-fuel, RI, refraction
1. ÚVOD ...................................................................................... 9 2. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY .......... 12 2.1.
Emisní předpisy pro motorová vozidla ..................................................... 12
2.2.
Obnovitelné zdroje energie a biopaliva .................................................... 16
2.2.1.
Legislativa EU ................................................................................... 16
2.2.2.
Legislativa v ČR ................................................................................ 17
2.2.3.
Paliva na českém trhu ........................................................................ 18
2.3.
Alternativní pohony a paliva..................................................................... 19
2.3.1.
Alternativní pohony ........................................................................... 19
2.3.2.
Alternativní paliva ............................................................................. 22
2.3.3.
Biopaliva............................................................................................ 24
2.4.
Vliv spalování bioetanolu na zážehový motor vozidla ............................. 27
2.4.1.
Vliv etanolu na zážehový motor ........................................................ 27
2.4.2.
Vliv použití etanolu na provozní režim spalovacího motoru ............ 30
2.5.
Konstrukční řešení a metody řízení FFV motorů ..................................... 30
2.5.1.
Řízení zážehového spalovacího motoru ............................................ 31
2.5.2.
FFV řízené metodou AFR uzavřené smyčky .................................... 34
2.5.2.1. Technické varianty FFV s řízením pomocí EGO senzoru ........... 35 2.5.3.
Detekce etanolu z průběhu hoření ..................................................... 35
2.5.4.
Určení paliva na základě elektrických vlastností .............................. 36
3. Cíl práce................................................................................. 37 4. Elektrické vlastnosti - materiál a metodika ....................... 38 4.1.
Vybíjecí charakteristika ............................................................................ 39
4.2.
Konduktometrie ........................................................................................ 40
4.3.
Zařízení pro měření elektrických vlastností.............................................. 41
4.3.1.
NI ELVIS........................................................................................... 41
4.3.2.
Osciloskop ......................................................................................... 42
4.3.3.
Použité sondy..................................................................................... 43
4.3.3.1. Koaxiální sonda neizolovaná ....................................................... 43 4.3.3.2. Koaxiální sonda izolovaná ........................................................... 44 4.3.3.3. Desková sonda izolovaná ............................................................. 45 4.3.4.
Směsi paliva – vzorky pro měření elektrických vlastností ................ 46
4.3.5.
Metoda vyhodnocení konduktometrie ............................................... 47
5. Výsledky měření elektrických vlastností............................ 48
5.1.
Koaxiální sonda a stejnosměrné napětí ..................................................... 48
5.2.
Koaxiální sonda a střídavé napětí ............................................................. 49
5.3.
Desková izolovaná sonda a střídavé napětí .............................................. 50
5.3.1.
Přenosová funkce izolované deskové sondy ..................................... 50
5.3.2.
Výsledky měření deskové sondy ....................................................... 58
6. Optické vlastnosti – materiál a metodika .......................... 59 6.1.
Index lomu ................................................................................................ 59
6.2.
Princip refraktometru ................................................................................ 60
6.3.
Zařízení pro měření optických vlastností.................................................. 62
6.3.1.
Refraktometr ruční............................................................................. 62
6.3.2.
Refraktometr digitální ....................................................................... 62
6.4.
Palivové směsi – vzorky pro měření refraktometrie ................................. 63
6.5.
Motorová zkušebna ................................................................................... 64
6.5.1.
Dynamometr ...................................................................................... 66
6.5.2.
Analyzátor ......................................................................................... 67
6.5.3.
Motor ................................................................................................. 68
6.5.4.
Elektronická řídicí jednotka motoru (ECU) ...................................... 68
7. VÝSLEDKY REFRAKTOMETRIE.................................. 70 7.1.
Vliv odparu vzorku na index lomu ........................................................... 70
7.2.
Směsi paliva stejného složení různého stáří ............................................. 73
7.3.
Směsi paliva stejného stáří, různého složení ............................................ 76
7.4.
Algoritmizace řízení upraveného flex-fuel systému ................................. 83
7.4.1.
Rozšíření systému zážehového motoru s λ-sondou ........................... 84
7.4.2.
Implementace do nového systému řízení .......................................... 85
8. Měření na motorové zkušebně ............................................ 87 9. DISKUZE ............................................................................ 100 10. ZÁVĚR ................................................................................ 104 11. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .............................. 105 SEZNAM OBRÁZKŮ .............................................................. 110 SEZNAM TABULEK .............................................................. 113 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ........... 115
1. ÚVOD V dnešní době je z energetického hlediska kladen stále větší důraz na využívání obnovitelných ekologických zdrojů energie tak, aby bylo možné pokrýt rostoucí spotřebu energií a zároveň pokud možno snižovat produkci škodlivých látek a snižovat tak ekologické zatížení biosféry. Alternativní pohonné systémy a biopaliva se zdají být vhodnou možností, snižování produkce škodlivých látek způsobených dopravou. Biopaliva, jsou-li produkována efektivně a ekologicky udržitelně, jsou pak vhodná pro svou možnost rychlého rozšíření vzhledem k jejich kompatibilitě se stávajícími konstrukcemi spalovacích motorů. Například etanol, jakožto alternativní biopalivo k benzinu, při použití směsí s benzínem obsahující do 30 % objemu etanolu, nepotřebuje žádný zásah do stávajícího řízení spalovacího motoru. Směsi s koncentrací lihu od 30 % – 90 % si vystačí s úpravou řídících algoritmů a vyšším dimenzováním průtoku vstřikovacích ventilů. Pohonné systémy schopné spalovat kromě benzinu další palivo jsou nazývány bifuel (BF) systémy. Patří sem systémy spalující etanol, vodík, LPG (Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas) LNG (Liguefied Natural Gas). Pohonné jednotky schopné spalovat etanol s benzinem mají ještě vlastní název flex-fuel (FF) systémy. V dnešní době se začínají objevovat řídicí systémy schopné u spalovacích motorů řídit spalovaní i více než dvou druhů paliv současně. Příkladem je systém TetraFuel firmy Magneti Marelli, který je schopný spalovat libovolnou směs benzinu s etanolem, „čistý“ benzin a etanol a CNG (MagnetiMarelli, 2014). Vzhledem k tomu, že emisní legislativa pro motorová vozidla rozlišuje emisní třídy podle kategorie vozidla (osobní, nákladní a pracovní) a podle typu spalovacího motoru (zážehový, vznětový), musí všechna vozidla, bez ohledu na používané palivo, splňovat emisní předpisy odpovídající svému zařazení. Schopnost plnohodnotného provozu na různá paliva sebou v dnešní době nese třeba možnost úspory provozních nákladů (nižší cena plynných alternativních paliv, nižší cena biopaliv díky cenové politice - oproštění od spotřební daně. BF systémy s kapalným a plynným palivem jsou zpravidla schopny spalovat jedno nebo druhé palivo (přepnutí palivových a řídicích systémů). FF systémy mohou spalovat libovolnou směs benzínu s etanolem. To sebou ale nese daleko vyšší nároky na řídicí systém motoru. Alternativní paliva přes svou zaměnitelnost s fosilními vyžadují specifické nastavení podmínek spalovacího procesu, proto jedná-li se o směs paliv je znalost jejího složení esenciální pro určení směšovacího poměru paliva se 9
vzduchem (AFR – Air Fuel Ratio). Elektronická řídicí jednotka (ECU) motoru je schopna nastavit řídicí algoritmy pro danou směs paliva a přesné doladění správného AFR pak pomáhá zajistit λ-sonda, výfukové kyslíkové čidlo (EGO sensor – Exhaust Gas Oxygen sensor). Protože se práce zabývá problematikou FF systémů, jsou v tabulce 1 znázorněny fyzikální a termodynamické vlastnosti benzinu a etanolu. Jak je z rozdílných hodnot v tabulce patrné vyžadují jednotlivá paliva odlišné nastavení parametrů řízení spalovacího procesu zážehového motoru, pokud má být plně využito schopností paliva a dosaženo optimálních výkonových a emisních hodnot (Nakata et al., 2006). Řídicí parametry je třeba měnit s ohledem na aktuální koncentraci etanolu obsaženého ve směsi paliva. Například nižší tlak par etanolu než par benzínu a větší výparné teplo etanolu způsobují potíže se startováním za nižších teplot. Tab. 1 – Fyzikální vlastnosti a chemické složení benzínu a etanolu (Matějovský, 2005) Veličina Stechiometrický poměr Chemická formulace Převažující uhlovodíky Obsah uhlíku Obsah vodíku Obsah kyslíku Hustota Výhřevnost Výhřevnost Bod tuhnutí Bod varu Bod vzplanutí Teplota vznícení Tlak par Energie inic. jiskry Výparné teplo OČ VM OČ MM
Jednotky [kg/kg]
[% hm] [% hm] [% hm] [kg.m-3] při 15°C [MJ.kg-1] [MJ.dm-3] při 25°C [°C] [°C] [°C] [°C] [kPa] [MJ] [kJ.kg-1] [-] [-]
Benzin 14,7 CxH1,8x C4 až C10 85,5 14,5 až 2,7 720-775 42-43,5 31-32,9 pod -45 20 – 300 pod -30 450 45 – 90 0,24 290 91 – 100 82 – 90
Etanol 9 C2H2OH 52,2 13 34,8 794 26,8 21,3 -114,1 78,5 ~20 420 21 0,2 904 108 90
Je-li potřeba určit množství etanolu v palivu pro nastavení studeného startu motoru, pak je logické tuto informaci využít i pro optimalizaci dalších parametrů řízení, aby bylo dosaženo vyšší účinnosti spalovacího procesu. Například díky vyššímu oktanovému číslu je možné využitím vhodného nastavení předstihu zapalování dosáhnout vyšší efektivní účinnosti. Změnou kompresního poměru, například u motorů s proměnným časováním ventilů, lze zvýšit termickou účinnost (obr. 1) a tím zvýšit 10
celkovou účinnost motoru. Znalost koncentrace etanolu může být využita také k optimalizaci transientních přechodů (akcelerace) pro jednotlivé směsi a tím minimalizovat nárůst emisí škodlivin v těchto nejméně efektivních režimech spalovacího motoru.
Obr. 1 – Vliv kompresního poměru na dosažitelnou termickou účinnost (Marina, 2014).
11
2. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Současné trendy v silniční dopravě kladou na pohonné jednotky moderních automobilů stále větší nároky. Ať už se jedná o provozní nebo údržbové náklady, spolehlivost, bezpečnost, jízdní komfort, výkonové parametry nebo emise a recyklovatelnost, hlavní roli hrají výrobní náklady. Největší nároky na výrobní náklady jsou kladeny legislativními požadavky na emise výfukových plynů (AVL, 8.2.2012). Nejen že jsou předepisovány emisní normy pro jednotlivé kategorie vozidel, ale v poslední době se objevují i omezení týkajících celkové produkce výrobců vozidel. Evropská unie požaduje, aby v roce 2020 průměrná hodnota produkce emisí CO2 na 1 vůz z roční produkce výrobce nepřekročila hodnotu 95 g/km CO2 (Evropská Komise, 2012). Právě dosažení těchto předpisů nutí automobilky zavádět nové pohonné systémy do svých výrobních portfolií. Dodávat vozy schopné spalovat alternativní paliva a využívat různé způsoby rekuperace již vydané energie atd. Finanční náročnost je tak vysoká, že na vývoji nových technologií automobilky spolupracují a dělí se o své náklady. Stejně jak se mění nároky na emise výfukových plynů produkovaných spalovacími motory, mění se i požadavky na kvalitu a složení jimi používaných paliv. Zároveň výrazně je vyvíjen stále větší tlak na používání obnovitelných zdrojů energie. Právě na biopaliva v dopravě je kladen velký důraz, jelikož jsou prosazována jako „uhlíkově neutrální“ zdroj energie (ČAPPO, 2012). Přesto že jsou to uhlíkatá paliva, při jejichž spalování vznikají emise CO a CO2, tento uhlík v emisích však byl nejprve rostlinami z atmosféry odebrán a z nich vytvořeno palivo, takže se nejedná o nárůst objemu CO2 v ovzduší.
2.1.
Emisní předpisy pro motorová vozidla Legislativními požadavky na redukci emisí škodlivých látek ve výfukových
plynech v současné době nejvíce ovlivňují vývoj pohonných jednotek motorových vozidel. Využitím nových systémů, materiálů a technologií se výrobci snaží dosáhnout srovnatelných nebo lepších výkonových parametrů pohonných jednotek, než tomu bylo v minulosti, při výrazném poklesu emisí výfukových plynů. Na obrázku 2 je zobrazen historický vývoj základních parametrů pohonných jednotek motorových vozidel, ze kterého je patrný trend snižování emisí výfukových plynů.
12
Obr. 2 – Vývoj parametrů pohonných jednotek motorových vozidel (AVL, 8.2.2012) Časový vývoj tohoto trendu je však u různých kategorií vozidel rozdílný jak ukazuje obrázek 3. První katalyzátor se objevil v roce 1973 v USA (MECA, 2014) a legislativní kroky k omezení emisí výfukových plynů ho rychle následovaly. Tyto kroky se však týkaly pouze osobních vozidel a trvalo téměř 20 let, než bylo dosaženo výrazné změny.
Obr. 3 – Časový vývoj legislativy podle kategorií vozidel (AVL, 8.2.2012) Teprve v roce 1992 vstoupila v Evropě v platnost emisní norma EU-1, která obsahovala emisní omezení nejen pro osobní automobily, ale týkala se i užitkových vozidel. Výrazného omezení emisí bylo dosaženo v průběhu zhruba 15 let. S novým tisíciletím přišla legislativa i pro těžké pracovní stroje a zemědělskou techniku a do budoucna se připravují i omezení pro leteckou a lodní dopravu. 13
Detailní vývoj evropské emisní legislativy pro osobní automobily je znázorněn v tabulce 2. Z tabulky je patrné, že se v průběhu času měnily nejen povolené hodnoty jednotlivých polutantů, ale přibyly i nové, v závislosti na použití nových technologií v konstrukci spalovacích motorů. Změny se pochopitelně dotkly i způsobů měření a vyhodnocení, například od EU-3 jsou emise nespálených uhlovodíků HC a oxidů dusíku NOx vyhodnocovány samostatně. S příchodem přímého vstřiku u zážehových motorů GDI (Gasoline Direct Injection), přišla regulace pevných částic, a jak ukazuje EU-6, nejen jejich množství (PM – Particle Matter), ale i počtu (PN – Particle Number). Tab. 2 – Evropské emisní normy pro osobní automobily (AVL, 20.3.2012) Emisní norma EU-1 EU-2 EU-3 Platnost od roku 1992 1996 2000 Emisní požadavky pro zážehové motory CO [mg/km] 2720 2200 2300 HC [mg/km] 200 HC + NOx [mg/km] 970 500 NOx [mg/km] 150 NMHC [mg/km] PM jen GDI [mg/km] PN [km-1] Emisní požadavky pro vznětové motory CO [mg/km] 2720 1000 640 HC + NOx [mg/km] 970 700 560 NOx [mg/km] 500 PM [mg/km] 140 80 50 -1 PN [km ]
EU-4 2005
EU-5 EU-5+ EU-6 2009 2011 2014
1000 100
1000 100
1000 100
1000 100
80
60 68
60 68
60 68
5
4,5
4,5 6E+11
500 300 250 25
500 230 180 5
500 500 230 170 180 80 4,5 4,5 6E+11 6E+11
Dosažení snížení emisí výfukových plynů bez ztráty výkonových parametrů pohonné jednotky s sebou nese stále větší finanční náklady pro automobilky. Jak rostou tyto cenové náklady na dosažení požadavků snížení emisí výfukových plynů pro jednotlivé skupiny vozidel, ukazuje graf na obrázku 4. Z grafu je patrné, že dosažení požadavků kladených na vznětové motory je podstatně nákladnější, než je tomu u zážehových spalovacích motorů (Posada et al.,2013). To je způsobeno výraznou eliminací emisí NOx, které vznikají při vyšších teplotách hoření. Ty jsou typické pro spalování chudé směsi, jak je tomu u vznětových motorů, z důvodu eliminace kouřivosti - emisí pevných částic. Vliv velkého snížení emisí mezi Euro5 a Euro6 je patrný v prakticky dvojnásobných nákladech (AVL, 8.2.2012). 14
Obr. 4 – Náklady na systémy kontroly a redukce emisí (AVL, 8.2.2012) Další komplikací pro automobilové producenty je rozdílnost emisních norem na různých kontinentálních trzích. Právě rozdíly mezi jednotlivými předpisy a metodikou zkoušení jsou natolik rozdílné, že výrobcům komplikují globální nasazení jednotlivých pohonných jednotek a dále zvyšují náklady. Z těchto důvodu plyne snaha o sjednocení legislativ a to nejen v podobě předepsaných hodnot emisí, ale i metodiky jejich zkoušení. Snaha o jejich sjednocení (maximální přiblížení) je vidět na obrázku 5, který srovnává požadované hodnoty emisí oxidů dusíku a pevných částic u nákladních automobilů.
Obr. 5 – Vývoj světových emisních norem pro nákladní automobily (AVL, 20.3.2012)
15
2.2.
Obnovitelné zdroje energie a biopaliva Další výrazný vliv na současné spalovací motory má legislativa týkající se
používaných paliv. Jedná se hlavně o využívání biopaliv v dopravě. Jelikož Česká republika je členem Evropské unie, vychází legislativa týkající se palivového hospodářství ČR s požadavků a zákonů Evropské unie. 2.2.1. Legislativa EU Evropská politika rozšiřování biopaliv je součástí politiky využívání obnovitelných zdrojů energie tak, aby se snížila závislost na fosilních palivech. V dubnu 2009 Evropská komise přijala směrnici 2009/28 EC v níž je definován cíl dosáhnout 20% podílu obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě energie a závazný cíl dosažení 10 % podílu biopaliv v dopravním sektoru pro všechny členské státy (European Parliament, 23.4.2009) do roku 2020. Prvním legislativním opatřením EU za účelem širšího využívání biopaliv však bylo již v roce 2003 přijetí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2003/30/ES, o podpoře využívání biopaliv nebo jiných obnovitelných paliv v dopravě. Podle této směrnice měly členské státy zajistit, aby na jejich trhy bylo uváděno alespoň minimální množství biopaliv a jiných obnovitelných pohonných hmot. Toto minimální množství činilo 2 % obnovitelných paliv do 31. 12. 2005 a bylo vypočítáno na základě energetického obsahu celkového množství benzinu a nafty pro dopravní účely, prodávaného na trhu daného státu. Do 31. 12. 2010 měla být tato referenční hodnota zvýšena na 5,75 % (European Parliament, 8.5.2003). Další směrnicí EU, která podporuje biopaliva, je směrnice 2003/96/ES. Tato směrnice mění strukturu rámcových předpisů Společenství o zdanění energetických produktů a elektřiny. Na jejím základě je možné daňově zvýhodnit biopaliva, ať už čistá tak i jejich vysokoprocentní směsi s fosilními palivy (European Parliament, 27.10.2003). V České republice na tento článek reagovalo Ministerstvo zemědělství vypracováním Víceletého programu podpory dalšího uplatnění biopaliv v dopravě (Evropská Komise, 2008), na základě kterého jsou biopaliva v ČR zproštěna spotřební daně.
16
2.2.2. Legislativa v ČR Povinnost uvádění biokomponent na trh je v České republice stanovena zákonem č. 180/2007 Sb., kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší. Podle zákona č. 180/2007 Sb. jsou povinnými osobami subjekty, které uvádějí motorové benziny a motorovou naftu, schválené pro provoz na pozemních komunikacích, do volného daňového oběhu pro tuzemský trh. V praxi to jsou tedy výrobci motorových paliv, rafinérie, provozovatelé daňových skladů, dovozci paliv a někteří distributoři. Zákonem č. 180/2007 Sb. byly pro povinné osoby stanoveny tyto minimální povinnosti náhrady fosilní složky odpovídajícím biopalivem: od 1. 9. 2007
2,0 % v/v pro motorovou naftu,
rok 2008
2,0 % v/v pro motorovou naftu 2,0 % v/v pro automobilové benziny,
rok 2009
4,5 % v/v pro motorovou naftu, 3,5 % v/v pro automobilové benziny.
Zákon č. 172/2010 Sb. s účinností od 1. 6. 2010 posouvá tyto hodnoty na: 6,0 % v/v pro motorovou naftu, 4,1 % v/v pro automobilové benziny. Poznámka: Zákon umožňuje převod přeplněné povinnosti v kalendářním roce na následující kalendářní rok. Převod je limitován 0,2 % v/v. Je třeba si také uvědomit, že výše popsané hodnoty jsou zavazující pro množství paliva dodaného během kalendářního roku. Skutečné koncentrace se během roku výrazně mění. V zimních obdobích se zpravidla obsah bioložek snižuje a v letních obdobích roste. Jsou-li dodávány na trh vysokoprocentní směsi jako například směsná nafta B30, nebo liho-benzinové palivo „E85“, je možné adekvátně k tomu snížit objem bioložek v běžných palivech.
17
2.2.3. Paliva na českém trhu Sortiment biopaliv je stanoven zákonem o pohonných hmotách (311/2006 Sb. Ve znění zákona č. 91/2011 Sb.) a prováděcím předpisem k tomuto zákonu (vyhláška MPO č. 133/2010 Sb.). Normy popisující Technické požadavky a metodiku zkoušení jednotlivých paliv jsou následující: ČSN EN 228 (65 6505) – Bezolovnaté automobilové benziny, ČSN EN 590 (65 6506) – Motorové nafty, ČSN EN 14214 (65 6507) – Metylestery mastných kyselin (FAME) pro vznětové motory, ČSN EN 15 376 (ČSN 65 6511) – Etanol jako složka automobilových benzinů, ČSN 65 6508 – Směsné motorové nafty obsahující FAME (MEŘO), ČSN 65 6512 – Etanol 85. Norma ČSN 65 6500 Stanovuje podmínky skladování a doba použitelnosti směsí fosilních paliv a biopaliv. Jako biopaliva jsou uplatněna: - bioetanol (kvasný líh obecně nebo zvlášť denaturovaný) nebo bioETBE jako příměsi do benzinu - metylestery mastných kyselin (FAME), převážně pak metylestery řepkového oleje (MEŘO). Motorová paliva na trhu jsou tato: a) pro zážehové motory: -
Automobilové benziny dle EN 228 s obsahem bioetanolu do 5 % V/V (E5)
-
palivo E85
b) pro vznětové motory: -
motorová nafta dle EN 590 s obsahem FAME/MEŘO do 7 %V/V (B7),
-
směsná motorová nafta (motorová nafta s obsahem FAME/MEŘO 30 %) SMN 30 – ČSN 65 6608,
-
bionafta dle EN 14214 (čisté FAME/MEŘO),
c) palivo E95 (jen jako pilotní projekty).
18
V souladu s českou legislativou o využívání biopaliv v dopravě a českými a evropskými technickými normami pro motorová paliva zahájil petrolejářský průmysl (ČESKÁ RAFINÉRSKÁ a PARAMO) mísení biopaliv do fosilních motorových paliv od 1. 9. 2007. Společnost ČEPRO zahájila mísení biopaliv pilotním projektem v červnu 2006. Převážně používanými biopalivy jsou bioetanol (kvasný líh zvláště denaturovaný) a etyl-terc. butyl éter (ETBE), které se mísí s benzinem. Metylestery mastných kyselin (FAME) anebo metylester řepkového oleje (MEŘO) se přidávají do motorové nafty. Biopaliva jsou do motorových paliv přidávána v průběhu jejich mísení již v rafinerii nebo až na skladových terminálech. V obou případech však výrobce finálního produktu musí garantovat jakost automobilového benzinu a motorové nafty a prověřit i jakost biopaliv, jak metylesteru řepkového oleje, tak bioetanolu včetně vhodných skladovacích podmínek.
2.3.
Alternativní pohony a paliva Způsobů, jak dosáhnout snížení předepsaných hodnot polutantů ve výfukových
plynech, je mnoho a automobilky ve svém portfoliu nabízejí vozidla s různými technickými řešeními. 2.3.1. Alternativní pohony Jednoduchou definicí používaných alternativních pohonů v dopravních prostředcích je využití elektrického pohonu k vylepšení energetické efektivity vozidla se spalovacím motorem, nebo jeho úplné nahrazení systémem s vyšší účinností (Pulkrabek, 2003). Elektropohony jsou vzhledem ke své účinnosti jasnou volbou. Zatímco zážehové spalovací motory dosahují celkové účinnosti maximálně kolem 35% (Wright Peter, 2014) a v přechodových režimech tato účinnost výrazně klesá. Účinnost elektromotorů v provozních podmínkách běžně dosahují hodnot 95 % (SEO, 2014). Tyto alternativní pohonné systémy se rozlišují do skupin, podle míry využití elektrického pohonu. Nejrozšířenější skupinou jsou micro-hybridní pohonné jednotky, jedná se o takzvané start-stop systémy. Při zastavení vozidla například na semaforech se motor zastaví (veškeré elektrické systémy jsou napájeny z akumulátoru s větší kapacitou) a při zařazení je motor opět nastartován. Tyto systémy používají nově alternátor, který je schopen pracovat i v motorickém režimu a motor nastartovat. Díky vyšším otáčkám a
19
výkonu, je schopen roztočit motor na volnoběžné otáčky a snížit tak razantně startovací dávku paliva a tím i emise motoru. Další skupinou hybridních pohonů jsou sériové hybridní pohony. Schematicky se jedná o stejné řešení jako u micro-hybridů, jen výkon elektrického motor/generátoru je řádově vyšší a součástí systému je i akumulátor schopný uchovat větší množství energie (obr.6). Výkonný elektromotor pomáhá spalovacímu motoru v akceleraci, při které má nejmenší účinnost a při deceleraci pracuje v generátorickém chodu, kdy kinetickou energii brzdění ukládá ve formě elektřiny do akumulátoru (KERS – Kinetic Energy Recovery System). Elektrický motor je spojen s klikovým mechanismem spalovacího motoru tak, že nedochází k pohonu pouze na elektrickou energii.
Obr. 6 – Sériový hybridní systém vozu McLaren P1 (McLaren, 2014) Od letošního roku se na závodních tratích objevují tyto systémy i s rekuperací tepelné energie. Jedná se o turbodmychadlem přeplňované spalovací motory. Turbodmychadlo je spojeno s elektromotorem, který při vysokých otáčkách spalovacího motoru pracuje v režimu generátoru a odebírá část energie spalin. Tuto energii může ukládat do akumulátoru nebo ji přesměrovat na pohon elektromotoru spojeného s klikovým mechanismem. Jak takto vybavená pohonná jednotka pracuje, ukazuje obrázek 7.
20
Obr. 7 – Princip funkce pohonná jednotka Renault RS34 pro vozy F1 vybavené rekuperací kinetické a tepelné energie (Renaultsportf1, 2014). Pokud se jedná o paralelní hybridní systém, pak je elektrický pohon od spalovacího motoru oddělen. V tomto případě je možný provoz jen na energii v akumulátorech, nebo v kombinaci se spalovacím motorem. Ten u některých konstrukčních řešení může také fungovat jako pouhý zdroj energie pro elektrický pohon (obr. 8), pokud je pohon vozidla čistě elektrický a spalovací motor nemá mechanickou vazbu s koly. Jedná se o tzv. elektromobil s „prodlužovačem dojezdu“ (obr. 9). Jako generátor elektrické energie může být použita i spalovací turbína.
Obr. 8 – Blokové schéma pohonného ústrojí Opel Ampera,Chevrolet Volt 21
Mezi vozidla s alternativním pohonem patří pochopitelně i elektromobily, jejichž kola jsou poháněna pouze elektrickou energií. Ta však nemusí být uložena pouze v akumulátorech, ale jejím zdrojem mohou být palivové články nebo další způsoby ukládání elektrické energie.
Obr. 9 – Možnosti pohonného ústrojí BMW i3 (MyBMWi3, 2014) Všechny výše popsané alternativní pohonné systémy sebou nesou vyšší finanční náklady v porovnání s pohonem pouze spalovacím motorem na fosilní paliva. Tyto náklady jsou přímo úměrné zvýšení celkové účinnosti daného systému v porovnání běžným atmosférickým spalovacím motorem. 2.3.2. Alternativní paliva Vzhledem k vysokým nákladům zatím popsaných řešení je levnější varianta snižování emisí výfukových plynů použití alternativních paliv, ať už plynných nebo kapalných. Pohonné jednotky schopné spalovat tato alternativní paliva většinou pracují jako více palivové systémy založené na zážehových spalovacích motorech, to znamená, že jsou schopny spalovat jak alternativní palivo, tak benzin. Jako plynná paliva se používají LPG (zkapalněný ropný plyn – směs propanu a butanu), CNG (stlačený zemní plyn) a H2 (vodík) (Vlk, 2006), jejichž základní parametry v porovnání s benzínem jsou znázorněny v tabulce 3. Výhodou plynných paliv (LPG, CNG) jsou podstatně nižší provozní náklady plynoucí z poměru výhřevnost/cena. Je třeba si však uvědomit, že se jedná také o fosilní paliva, a tedy o neobnovitelný zdroj. 22
Tab. 3 – Základní vlastnosti plynných paliv a benzinu (Matějovský, 2005) Palivo Benzin LPG 3 Hustota [kg/m ] 720-775 510-580 Výhřevnost [MJ/kg] 42-43,5 46 OČ VM [-] 91-100 100 OČ MM [-] 82-90 91 Stech. poměr [kg/kg] 14,7 15
CNG 0,693 49,5 130 17,2
H2 0,0852 120 130+ 34,3
Nevýhodou používání plynných paliv však je nutnost dalšího palivového systému, další palivové nádrže, která většinou omezuje zavazadlový prostor a snižuje tak praktickou využitelnost vozu. Zatímco LPG a CNG jsou stále uhlíkatá paliva, takže složení emisí výfukových plynů je velmi podobné spalinám benzinu. Hlavním produktem spalování vodíku je vodní pára s emisemi NOx. Nevýhodou vodíku je však jeho špatná dostupnost vyplývající z problematické skladovatelnosti a bezpečnostních požadavků na tankování. Ve vozidle (obr. 10) je vodík skladován v kryogenní nádrži v kapalném stavu při teplotě -253°C. Součástí řídicího modulu nádrže je chladicí systém, využívající výparného tepla vodíku použitého pro spalování. Do motoru je vodík přiváděn jako plynné palivo při teplotě 20-80°C (Montignac et al., 2009). Vzhledem k nedokonalé tepelné izolaci nádrže dochází při stání vozidla ke ztrátě kolem 3 % objemu uskladněné látky za den vypuštěním bezpečnostním přetlakovým ventilem. Z toho vyplývá, že dlouhodobá skladovatelnost není možná (efektivní). Tankování kapalného vodíku je robotizovaná záležitost vzhledem k riziku exploze při úniku, plynoucí z výbušnosti vodíku při kontaktu s kyslíkem.
Obr. 10 – Vodíkový pohon BMW Hydrogen 7 (Ragonesi et al., 2007) 23
Jako alternativní kapalná paliva se pro zážehové motory používají různé druhy alkoholů (metanol, etanol, butanol…) vyráběných synteticky jako ropné deriváty, nebo štěpením biomasy jako biopaliva. Alternativními palivy k naftě jsou například hydrokrakované oleje nebo syntetická nafta GTL (Gas To Liquid) vyráběná ze zemního plynu (Shell, 2014) a další biopaliva popsaná níže. 2.3.3. Biopaliva Mezi alternativní paliva patří také biopaliva. Biopaliva používaná v dopravě můžeme dělit na kapalná nebo plynná paliva vyráběná z biomasy. V širším slova smyslu může být biopalivem označena rostlinná biomasa využívaná pro energetické účely, tj. paliva vzniklá cílenou výrobou či přípravou z biomasy. Vzhledem k původu energie biomasy ve slunečním záření a fotosyntéze, se biomasa a tedy i z ní vyprodukovaná paliva, považují za obnovitelný zdroj energie. Kapalná biopaliva se dělí na: -
alkoholová (bioetanol, biometanol, biobutanol) – pro zážehové motory
-
bioMTBE, bioETBE – pro zážehové motory
-
biooleje, bionafta (transesterifikované oleje a tuky – FAME, FAEE) – pro vznětové motory
-
zkapalněná plynná biopaliva (Fischer - Tropschova syntéza)
Plynná biopaliva se dělí na: -
bioDME – pro vznětové motory (CČ- 55), pro zážehové motory (30 % DME, 70 % LPG)
-
bioplyn (CH4+CO2) – obvykle vzniká přirozeným rozkladem
-
dřevoplyn (CO+H2) – získává se zplyňováním biomasy
-
vodík – vzniká štěpením jakéhokoliv uhlovodíkového biopaliva
Nás budou zajímat hlavně paliva kapalná, protože jejich používání sebou nese menší nároky na úpravu pohonné jednotky. Nevyžadují další palivový systém, používají společný systém s původním palivem. Většinou je zapotřebí pouze výměna těsnících materiálů spojů palivového systému za odolnější, vzhledem k chemickým vlastnostem těchto alternativních paliv. Tato paliva jsou s původním palivem mísitelná. Vzhledem k legislativě popsané v kapitole 2.2 se tato alternativní paliva (biopaliva) běžně používají jako příměsi standardních ropných paliv. První generace biopaliv pro zážehové motory se vyrábí fermentací cukrů a škrobu a jedná se o bioetanol. Pro 24
vznětové motory se používají oleje a tuky, které se reesterifikují na bionaftu (FAMEFatty Acid Methyl Esters, metylestery mastných kyselin). V případě biopaliv 1. generace, která jsou zatím na trhu, je problémem jejich konkurence plodinám pro výrobu potravin a výrobní náklady těchto paliv jsou vyšší než náklady na výrobu ropných paliv. Jejich používání je tedy ovlivněno legislativní úlevou od spotřební daně. Proto je maximální snaha o zavádění biopaliv dalších generací, vyráběných novými metodami primárně z odpadní biomasy, tak aby nekonkurovala potravinářským plodinám (ČAPPO, 2012). Jako biopaliva 1. generace jsou alternativou k motorové naftě na trhu dostupné metylestery mastných kyselin (FAME), převážně pak metylestery řepkového oleje (MEŘO). Jejich vlastnosti v porovnání s naftou jsou znázorněny v tabulce 4. Tab. 4 – Základní vlastnosti paliv – nafta, MEŘO (Matějovský 2005) Palivo
Nafta
MEŘO
800-845
870-890
42,5
38,5
CČ [-]
nad 51
~58
obsah kyslíku [%hm]
do 0,6
11
Hustota [kg/m3] Výhřevnost [MJ/kg]
bod tuhnutí [°C] -32 až 0 -20 až 0 bod vzplanutí [°C] nad 55 nad 100* * obvyklá hodnota pro komerční produkty, čisté estery mají bod vzplanutí nad 180°C Alternativ k benzinu je podstatně víc, než je tomu u nafty. V první generaci biopaliv jsou vyráběny hlavně bioetanol, MTBE (metyl-terc. butyl éter) a ETBE (etylterc. butyl éter) jejichž vlastnosti v porovnání s benzinem jsou znázorněny v tabulce 5. Tab. 5 – Základní vlastnosti alternativních paliv k benzinu (Matějovský, 2005) Palivo
Benzín
Etanol
MTBE
ETBE
Hustota [kg/m ]
720-775
794
738
742
Výhřevnost [MJ/kg]
42-43,5
26,8
35,2
36,05
OČ VM [-]
91-100
108
118
118
OČ MM [-]
82-90
90
101
105
9 34,8
11,7 18,2
12,15 15,7
3
Stech. poměr [kg/kg] 14,2-14,7 Obsah kyslíku [%hm] až 2,7
25
Všechny tyto biosložky se používají jako příměsi do benzinu za účelem zvýšení oktanového čísla a jsou náhradou za dříve používané tetraethylolovo. Zmíněná biopaliva mají vysoký obsah kyslíku, jejich obsah v benzínu je tedy limitován ze zákona maximálním povoleným množstvím 2,7 % kyslíku. Nejrozšířenější je etanol, jelikož je z daných paliv nejsnáze a nejlevněji vyrobitelný. Na rozdíl od MTBE a ETBE je na trhu dostupný také jako vysokoprocentní směs s benzínem E85. Etanol je nejpoužívanější biopalivo vůbec, hlavně díky svému vysokému rozšíření v zemích jižní Ameriky a USA. Vývoj světové spotřeby vysokoprocentních směsí etanolu s benzínem je znázorněn v grafu na obrázku 11. Zajímavou alternativou k etanolu je biobutanol, který na rozdíl od bioetanolu má o cca 30% vyšší energetický obsah a nepohlcuje vodu. Díky své výhřevnosti blízké benzinu, nepotřebuje žádné úpravy stávajících motorů na benzín (Butamax, 2014). 1600 1400
1000 barelů/den
1200 1000 800 600 400 200 0 2001
2002
2003
Evropa
2004
2005
jižní Amerika
2006
2007
Severní Amerika
2008
2009
2010
2011
Zbytek světa
Obr. 11 – Vývoj světové spotřeby vysokoprocentních etanolových paliv (Indexmundi, 2014)
26
2.4.
Vliv spalování bioetanolu na zážehový motor vozidla Tato část, se vzhledem k tématu této práce, omezí pouze na vliv etanolu jako
nejpoužívanějšího biopaliva pro zážehové spalovací motory. 2.4.1. Vliv etanolu na zážehový motor Vliv etanolu na konstrukční řešení zážehového motoru se odvíjí od jeho použití. Má-li být zážehový motor provozován pouze na etanol, bude se technické řešení výrazně lišit od provedení benzínového motoru schopného spalovat i etanol a to z důvodu maximálního využití fyzikálních vlastností paliva. Motor na etanol má například vyšší kompresní poměr, má odlišné válce a tvar spalovacího prostoru (Vlk, 2006). Nejpoužívanější je dvoupalivové řešení, kdy motor je schopen plnohodnotného provozu jak na čistý benzin, tak na jakoukoli směs benzinu s etanolem až po 90% směs, kterou povoluje zákon. V tomto případě budou nutné konstrukční zásahy vyplývat z rozdílného stechiometrického poměru benzinu a etanolu. Změnami je nutno zabezpečit potřebné navýšení vstřikovaného množství paliva a tím eliminovat nižší výhřevnost etanolu proti benzínu. Toho je možno dosáhnout výměnou stávajících vstřikovacích ventilů za ventily s vyšším průtokem, nebo navýšením vstřikovacího tlaku, což může obnášet kromě výměny reduktoru tlaku také výměnu palivového čerpadla. Hmotnostní stechiometrický poměr je neměnný, ale jelikož pro vstřikovací ventily je snazší odměřit objem paliva než jeho hmotnost, je důležitý stechiometrický poměr objemový. Ten je závislý na hustotách jednotlivých složek (vzduch, palivo) spalované směsi, tedy na jejich teplotách a tlacích. Pro představu jak se mění vstřikovaná dávka paliva v závislosti na teplotě nasávaného vzduchu a teplotě paliva ukazuje tabulka 6 pro benzin a tabulka 7 pro etanol. Jelikož se jedná pouze o změny teplot, jsou zbylé okrajové podmínky nastaveny na tlak = 100 kPa a vlhkost vzduchu 40 %. Jako srovnávací hodnota je brána dávka paliva při teplotách vzduchu a paliva 20°C a ostatní hodnoty jsou popsány jako procentuální změna vstřikované dávky vůči této výchozí hodnotě. Stejným způsobem provádí řídící jednotka motoru teplotní korekce.
27
Tab. 6 – Změna vstřikovací dávky benzinu v závislosti na teplotě [%]
Teplota vzduchu [°C] tlak 100 kPa vlhkost 40%
Teplota paliva [°C] -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -30 -12,6 -13,5 -14,3 -15,1 -16,2 -17,3 -18,4 -19,5 -20 -9,0 -9,9 -10,7 -11,7 -12,8 -13,9 -15,1 -16,2 -10 -5,4 -6,3 -7,2 -8,1 -9,3 -10,5 -11,7 -12,9 0 -1,7 -2,7 -3,6 -4,6 -5,8 -7,1 -8,3 -9,5 10 2,0 0,9 0,0 -1,0 -2,3 -3,6 -4,9 -6,1 20 5,7 4,7 3,7 2,7 1,3 0,0 -1,3 -2,7 30 9,7 8,6 7,6 6,5 5,1 3,7 2,3 0,9 40 13,8 12,7 11,7 10,5 9,1 7,7 6,2 4,8
Tab. 7 – Změna vstřikovací dávky etanolu v závislosti na teplotě [%]
Teplota vzduchu [°C] tlak 100 kPa vlhkost 40%
Teplota paliva [°C] -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -30 -12,4 -13,4 -14,3 -15,3 -16,4 -17,3 -18,2 -19,1 -20 -8,8 -9,8 -10,8 -11,9 -13,0 -13,9 -14,8 -15,8 -10 -5,2 -6,2 -7,2 -8,4 -9,5 -10,5 -11,4 -12,5 0 -1,5 -2,6 -3,7 -4,8 -6,0 -7,1 -8,0 -9,1 10 2,2 1,1 0,0 -1,3 -2,5 -3,6 -4,6 -5,7 20 6,0 4,8 3,7 2,4 1,1 0,0 -1,0 -2,2 30 9,9 8,7 7,5 6,2 4,9 3,7 2,7 1,5 40 14,1 12,8 11,6 10,2 8,9 7,7 6,6 5,3
Z porovnání tabulek 6 a 7 vyplývá, že intervaly korekcí (benzin: -19,5 až 13,8; etanol: -19,1 až 14.1) vstřikované dávky jsou u obou paliv prakticky stejné (rozdíl 0,1 %), liší se jen posunutí o 0,3 %. Je třeba si uvědomit, že změny vstřikovacích dávek v tabulkách 6 a 7 jsou pouze v rámci jednoho paliva. Jak se od sebe liší porovnávací dávky paliva, v závislosti na koncentraci etanolu v palivové směsi, ukazuje tabulka 8. Objemové stechiometrické poměry a z nich vypočtené dávky paliva tedy odpovídají podmínkám: teplota paliva a vzduchu 20°C, tlak=100 kPa a vlhkost vzduchu 40 %. Z tabulky 8 vyplývá požadavek na zvýšení průtoku vstřikovači paliva o 43,3% pro koncentraci etanolu 90 %. Vyjdeme-li z předpokladu, že dimenzování vstřikovacích ventilů paliva u zážehových motorů odpovídá zhruba 110 % vstřikované dávky při jmenovitých otáčkách motoru, pak tabulky 8 vychází, že bez nutnosti konstrukčních změn je možno bezpečně provozovat běžnou zážehovou spalovací jednotku s palivem o koncentraci etanolu do 30 %. 28
Tab. 8 – Stechiometrické poměry a vypočtené nárůsty vstřikovaných dávek (Tpalivo = 20°C, Tvzduch = 20°C, Pvzduch = 100 kPa, vlhkost = 40 %) Konc. etanolu
Teoretický stechiometrický poměr
Teoretický nárůst dávky paliva proti benzínu
Palivo hmotnostní benzín (E0) E5 E10 E15 E20 E25 E30 E35 E40 E45 E50 E55 E60 E65 E70 E75 E80 E85 E90 E95 etanol (E100)
[%] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
-1
[kg.kg ] 14,50 14,23 13,95 13,68 13,40 13,13 12,85 12,58 12,30 12,03 11,75 11,48 11,20 10,93 10,65 10,38 10,10 9,83 9,55 9,28 9,00
objemový -1
[L.L ] 9253 9097 8942 8787 8631 8476 8321 8165 8010 7855 7699 7544 7388 7233 7078 6922 6767 6612 6456 6301 6146
hmotnostní
objemový
[%] 0 1,9 3,9 6,0 8,2 10,5 12,8 15,3 17,9 20,6 23,4 26,4 29,5 32,7 36,2 39,8 43,6 47,6 51,8 56,3 61,1
[%] 0 1,7 3,5 5,3 7,2 9,2 11,2 13,1 15,5 17,8 20,2 22,7 25,2 27,9 30,7 33,7 36,7 39,9 43,3 46,8 50,6
Vzhledem k výrazným korozním vlastnostem lihu plynoucím z hygroskopie a agresivnímu chování vůči některým plastům a pryžím je vhodná výměna prvků palivového systému za alkoholu odolné a z korozivzdorných materiálů. Další zásahy se již týkají řízení spalovacího cyklu a vyžadují zásah do řídících algoritmů motoru. Díky vysoké antidetonační odolnosti alkoholových paliv lze zvýšením kompresního poměru dosáhnout vyšší tepelné účinnosti. Vlivem vysokého výparného tepla dochází při tvorbě směsi k ochlazování a tím k zlepšení plnění, tedy objemové účinnosti motoru. Výhřevnost alkoholů je sice nižší, ale díky vysokému obsahu kyslíku v palivu dochází k dokonalejšímu prohoření směsi a tak je možno s výše popsanými výhodami dosáhnout vyššího výkonu motoru. Důležitým aspektem spalování etanolu je výrazné snížení 29
škodlivých emisí ve výfukových plynech. Nevýhodou etanolu, je vlivem vyššího výparného tepla (etanol 904 kJ/kg, benzin 290 kJ/kg) a vyšší teploty bodu vzplanutí (etanol ~20°C, benzin pod -30°C) horší startovatelnost při nízkých teplotách. 2.4.2. Vliv použití etanolu na provozní režim spalovacího motoru U zážehových motorů má na provozní režim nepříznivý vliv zvýšený obsah vody v bioetanolu, což může vést v případě vysokého stupně zavodnění až k odloučení lihové a benzinové složky. Obsah vody v palivu může ještě zhoršovat problémy se studenými starty na palivo s větším zastoupením lihové složky. Navíc způsobuje korozi součástí palivového systému včetně vstřikovačů. V případě zamrznutí odloučené vody může dojít k fatálnímu poškození dílčích komponent. Další problémy se startováním plynou z podstatně vyššího výparného tepla a bodu vzplanutí etanolu jak bylo zmíněno výše. Proto sériové vozy s pohonnými jednotkami schopnými spalovat vysokoprocentní lihobenzinové směsi jsou často vybaveny ohřevem sacího traktu, nebo vstřikovačů, aby bylo usnadněno odpaření paliva. Navíc komerčně prodávaná směs „E85“ má pro zimní období snížený obsah etanolu, aby vyšší obsah běžného benzínu ulehčil studený start. Složení paliva „E85“ se tak v průběhu roku mění od 70 % (zimní) až po 90 % (letní) etanolu. Velké výparné teplo sebou nese, ale i výhody. Při odpaření paliva klesá teplota ve spalovacím prostoru, a tak i výsledná teplota hoření je nižší, takže teplotní zatížení mechanických částí motoru je nižší a jejich životnost se tak může zvyšovat.
2.5.
Konstrukční řešení a metody řízení FFV motorů Jelikož nejrozšířenějším biopalivem na světě je etanol, zaměřuje se tato práce právě
na pohonné jednotky spalující toto palivo. Etanolové směsi s benzínem jsou majoritním palivem v zemích Jižní Ameriky a jsou rozšířenou alternativou ve státech Severní Ameriky. V Evropě je toto palivo doménou především severských zemí, jelikož ostatní evropské automobilky s výjimkou švédského Volva toto palivo ignorují a nenabízí ve svém portfoliu pohonných jednotek odpovídající moderní techniku schopnou plnohodnotného provozu na toto palivo. Pro pochopení rozdílů v řízení FFV motoru, je nejdříve nutné znát řízení běžných spalovacích motorů. Vzhledem k tomu, že FFV (Flexi Fuel Vehicle) pohonné jednotky spalující etanol vycházejí ze zážehových motorů, bude nejprve objasněno řízení zážehového spalovacího motoru. 30
2.5.1. Řízení zážehového spalovacího motoru V současné době jsou moderní pohonné jednotky výhradně řízené elektronickými řídicími jednotkami (ECU), jelikož řízení spalovacího motoru splňujícího současnou emisní legislativu je velmi komplexní sofistikovanou záležitostí, kde už není možné si vystačit pouze se schopnostmi mechanických regulátorů. Základní funkcí elektronické řídicí jednotky motoru je řídit spalovací proces motoru a jeho přídavná zařízení tak, aby bylo dosaženo požadovaných hodnot parametrů, jako je například točivý moment, otáčky motoru a emise výfukových plynů. Součástí řídicí jednotky je i diagnostický systém kontrolující správnou funkci akčních členů a je schopný varovat před možným nebezpečím poškození, nebo disfunkcí některé části systému. Parametry spalovacího motoru obecně vycházejí z mechanické konstrukce motoru a schopnosti ECU precizně řídit spalovací proces. Ve stručnosti se jedná o schopnost vytvořit směs paliva se vzduchem o požadovaném směšovacím poměru (AFR) a tu ve správný okamžik zažehnout (Vlk, 2003). V případě zážehového motoru se jedná o okamžik otevření vstřikovacích ventilů, dobu jejich otevření a správné načasovaní zažehnutí směsi. U vznětového motoru jde o správné načasování vstřiku a jeho trvání (Ribbens, 2003). První elektronicky řízené zážehové motory si vystačily pouze s určením dávky paliva a předstihu na základě otevření škrticí klapky (zatížení) a otáček motoru. Jako korekční parametr do řídícího procesu vstupovala teplota chladicí kapaliny, kvůli chodu za studena, zastoupena funkcí sytiče. Později se přidala λ sonda jako prvek upřesňující dávku paliva s ohledem na složení výfukových plynů pro správnou funkci třícestného katalyzátoru. Moderní zážehový motor je natolik svázán legislativními požadavky na produkci emisí výfukových plynů, že pro svůj optimální chod potřebuje podstatně více vstupních i výstupních veličin. Nové motory pro splnění těchto limitů často využívají přeplňování, přímý vstřik paliva, proměnné časování jak sacích tak výfukových ventilů a další konstrukční řešení, která umožňují další optimalizaci a zefektivnění spalovacího procesu. Tato konstrukční řešení pak navenek vystupují jako dílčí subsystémy, které vyžadují vlastní řízení, a tak navyšují požadavky na schopnosti řídicího systému. Požadavky jsou jak na výpočetní výkon systému, tak na rozšíření hardwarových 31
periferií pro připojení čidel a aktuátorů. Stručný přehled vstupních a výstupních parametrů, moderního motoru je vidět na obrázku 12. Je třeba si uvědomit, že vozidlo je komplexní systém a mnoho dalších parametrů ovlivňujících chod motoru je sbíráno dalšími systémy vozidla a do řídící jednotky se dostávají pomocí komunikační sběrnice CAN-BUS. Jedná se například o data z převodového ústrojí, bezpečnostních a komfortních systémů vozu. Pokud je motor uzpůsoben na spalování více druhů paliv, jsou tyto nároky ještě větší. Vzhledem k rozdílným vlastnostem paliv je potřeba rozpoznat použité palivo a adekvátně nastavit parametry spalování. Tím rostou také nároky na rozsahy možné regulace systému. Způsoby detekování použitého paliva lze rozdělit na dva hlavní směry, detekci přímou nebo nepřímou metodou. Přímá metoda určuje palivo v závislosti na změně fyzikálních vlastností, které přímo měří (hustota, barva, refrakční index). Nepřímá metoda rozlišuje použité palivo na základě jeho vlivu na spalovací proces motoru. Tento vliv může být na průběh hoření (průběh tlaku ve válci, vliv na detonační hoření, atd.) nebo na výstupní parametry hoření jako je složení výfukových plynů, množství zbytkového kyslíku atd. Konstrukčních provedení systémů je mnoho, základní principy jsou však stejné a liší se pouze některými detaily technického řešení, tak aby optimalizovaly svou funkci pro dané vstupní podmínky. Proto zde budou popsány jen hlavní metody, nejpoužívanější systémy a některá specifická řešení budou zmíněna jen okrajově.
32
Vstupy
Výstupy výkonové výstupy → vstřikovače pro vstřikovače a zapalovací cívky → cívky
Napětí akumulátoru → Napětí na svorce 15 → Napěťový regulátor Výstup 5V ← Watchdog Výstup na hlavní ← relé Otáčky motoru Poloha pedálu akcelerátoru Teplota vzduchu vstupní Teplota vzduchu plnící potrubí Tlak barometrický Tlak plnění Teplota paliva Tlak paliva Teplota chladicí kapaliny Teplota motorového oleje Tlak motorového oleje Čidlo klepání další analogové vstupy Otáčky vačkového hřídele další digitální vstupy COM 1 COM 2 komunikace s dalšími řídícími jednotkami vozu monitorování kyslíku ve spalinách
→ EGR ventil zdroje proudu pro ovládání aktuátorů → aktuátor tlaku plnění
→
→
→
H bridge
→ vyhřívání λ sondy →
→ 12V/5V výstupy pro napájení snímačů
→ → → Analogové → vstupy → →
ovládání elektronické škrtící klapky
ovládání aktuátorů časování ventilů
→ napájení analogových a digitálních snímačů →
ECU
→ → → → → → ↔ ↔
Digitální vstupy Sériová sběrnice
↔ CAN-BUS
↔
obvod pro λ sondu
Obr. 12 – Základní rozdělení periferií elektronické řídící jednotky (Štěrba et al., 2010)
33
2.5.2. FFV řízené metodou AFR uzavřené smyčky Tato nepřímá metoda určení paliva je založena na použití širokopásmové λ-sondy (UEGO – Universal Exhaust Gas Oxigen sensor) pomocí které je regulována vstřikovaná dávka paliva. Řídící jednotka se primárně nesnaží určit směs paliva, jejím úkolem je pouze pomocí regulace vstřikované dávky dosáhnout požadovaného směšovací poměru paliva se vzduchem (AFR - Air Fuel Ratio), přesně řečeno dosažení požadované hladiny zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. Pokud by to bylo zapotřebí, je možné směs paliva (koncentraci etanolu) určit zpětně z AFR a vstřikované dávky paliva. Právě kvůli zpětnému určení paliva (dávky paliva), na základě signálu z EGO, je problematické startování motoru, jelikož dokud se λ-sonda neohřeje na provozní teplotu, řídící jednotka není schopna určit palivo, které motor spaluje. Proto existuje několik startovacích strategií, které mohou řídící jednotky při startu použít: 1) ECU pro start nejprve použije dávku paliva odpovídající nízkoprocentní etanolové směsi, a pokud motor po nějakou dobu nenastartuje, použije dávku pro vysokoprocentní směs. Tento způsob se vyznačuje zpravidla delší dobou startování a je charakteristický pro přídavné řídící jednotky při přestavbách zážehových motorů. 2) Startovací dávka paliva je určena na základě „znalosti“ paliva před posledním zastavením motoru, kdy tato informace je uložena v paměti řídící jednotky. Systém spoléhá na to, že mezi jednotlivými starty nebylo palivo změněno a pokud došlo k tankování (změně koncentrace) je v palivovém potrubí dostatek původního paliva, aby motor spolehlivě nastartoval. V dnešní době, kdy se legislativa zaměřuje i na omezení produkce emisí výfukových plynů při studeném chodu motoru, může mít první systém značné problémy splnit dané požadavky. Dalším nedostatkem této metody řízení flex-fuel (FF) pohonné jednotky je omezení auto diagnostiky systému. Zpětnovazební regulace výfukovým oxidačním čidlem je používána i pro palubní diagnostiku, jednopalivový systém využívá velice úzké pásmo λ-regulace (asi ±5%) a pokud je požadavek na regulaci mimo tento rozsah je detekována chyba. V případě FF řízení kde regulace probíhá v řádu 50% může dojít k chybné interpretaci dat. Např. Změna signálu z MAF senzoru (Manifold Air flow – váha vzduchu), nebo změna průtoku vstřikovacím ventilem vlivem opotřebení nebo 34
nečistot, může vést k chybné úvaze o změně koncentrace etanolu v palivu a tak ke špatné regulaci. Největším nedostatkem tohoto systému je absolutní závislost na korektním signálu λ-sondy. V případě ztráty signálu je motor v nouzovém režimu prakticky neschopný provozu, jelikož v případě chodu je vysoké riziko poškození při provozu na chudou směs (λ˃1), nebo v opačném případě (λ˂0,7) může být problém se zapálitelností směsi. Přes všechny nedostatky je toto technické řešení řízení zážehového spalovacího motoru u FFV nejrozšířenější, protože v základním uspořádání nevyžaduje dodatečné náklady na výrobu vozidla proti motoru čistě na benzin, změny se týkají pouze algoritmů řízení. 2.5.2.1. Technické varianty FFV s řízením pomocí EGO senzoru Základní a nejrozšířenější uspořádání tohoto systému je s jednou palivovou nádrží. Tento systém je naprosto totožný se systémem běžného spalovacího motoru na benzín. Rozdíl je pouze v použití materiálů na palivový systém tak, aby byly odolné vůči etanolu. Další modifikace tohoto systému je s použitím oddělených palivových nádrží (standardní nádrž na etanol, přídavná menší nádrž na benzin). Benzín je použit pouze na start motoru, poté je provozován na etanol. Tento systém je rozšířen primárně v zemích Jižní Ameriky, kde jsou používané směsi až po čistý etanol E100. Palivové systémy jsou zpravidla zcela odděleny. Pro zjednodušení pak benzínový systém určený pouze pro start motoru může používat jen jednobodový systém vstřikování. 2.5.3. Detekce etanolu z průběhu hoření Jak bylo popsáno výše rozdílné fyzikální vlastnosti etanolu a benzínu výrazně ovlivňují samotný proces hoření. Proto existuje také mnoho metod určujících použité palivo na základě změn probíhajících ve spalovacím prostoru v průběhu hoření. Tyto metody se zabývají analýzou indikovaného tlaku a teploty ve válci. Metody analýza naměřených dat se však výrazně liší. Některé se zabývají komplexní analýzou těchto veličin v průběhu celého spalovacího cyklu (Gassenfeit et al., 1989; Sellnau et al., 2000), zatímco jiné pouze některých částí, jako je třeba určení směsi paliva
35
v závislosti na průběhu tlaku a teploty ve válci během kompresního zdvihu. Tato metoda využívá chladící efekt etanolu pro určení směsi paliva (Oliverio et al. 2009). Tyto metody jsou zatím omezeny výhradně na laboratorní podmínky, pro svoji náročnost měření a vyhodnocení, prostorovou náročnost měřící aparatury vzhledem k zástavbě do motorového vozidla a její odolnost (hlavně vibrační) s ohledem na běžné provozní podmínky motorového vozidla. Podstatným nedostatkem je také vysoká cena měřící aparatury, převyšující cenu samotného vozidla. 2.5.4. Určení paliva na základě elektrických vlastností Jako další způsob detekce obsahu etanolu v palivu existují metody založené na změně elektrických vlastností (vodivost, relativní permitivita) směsi podle obsahu etanolu. Tyto metody využívají čidla umístěna v palivovém potrubí nebo nádrži vozidla. Tato metodika bude popsána podrobněji v jedné z následujících kapitol, protože byla jednou ze součástí experimentálního měření.
36
3. Cíl práce Řídicí systémy většiny současných FFV (Flex Fuel Vehicle) dostupných na trhu jsou založeny na určení směsi paliva výhradně nepřímou metodou na základě určení zbytkového obsahu kyslíku ve výfukových plynech (pomocí λ-sondy). Výhodou použití této metody jsou nulové přidané náklady vzhledem ke standardnímu vybavení jednopalivového zážehového motoru, který λ-sondu také využívá pro korekce dávky paliva a rozdíl je tak pouze v rozsahu regulace. Hardwarové rozdíly jsou tedy omezeny pouze na použití jiných těsnících materiálů a dimenzování průtoku vstřikovacích ventilů plynoucí z chemicko-fyzikálních vlastností použitého paliva. Nevýhodou tohoto řešení je však neznalost typu paliva při startu motoru. Z této neznalosti zpravidla vyplývá delší startovací doba s nižší efektivitou spalování a vyšší produkcí emisí nežádoucích látek ve výfukových plynech. Největší nevýhodou tohoto systému, je však spolehlivost a provoz v nouzovém režimu. Pokud dojde k selhání λ-sondy, pak motor není schopen určit palivo a přechází do nouzového režimu, kdy vstřikovaná dávka paliva musí odpovídat palivu s nejnižším stechiometrickým poměrem (E90), což v případě že je v palivové nádrži benzín znamená vstřikovanou dávku vyšší až o 43 % než je žádoucí a směs paliva se vzduchem tak může být nezapálitelná. Další systémy FFV určující použitou směs paliva před zažehnutím nebo v jeho průběhu jsou cenově nákladné, zatímco jejich schopnost fungovat mimo laboratorní podmínky a zajistit potřebnou spolehlivost a životnost systému jsou diskutabilní. Cílem mé práce proto je navrhnout systém kombinující dva způsoby určení paliva, aby byla zaručena vyšší přesnost a spolehlivost spalování. Ty jsou nutností plynoucí se stále se zpřísňujících legislativních požadavků. Vyšší odolnost vůči chybám by měla zaručit funkčnost systému i při poruše znamenající selhání jedné z metod detekce směsi paliva. Cíl práce sestává z několika dílčích úkolů a to: -
Návrh metody pro určení koncentrace etanolu ve směsi paliva před vstupem do spalovacího prostoru motoru.
-
Ověření funkčnosti zvolené metody.
-
Návrh systému a algoritmů řízení motoru vybaveného touto metodou detekce.
-
Ověření systému řízení spalovacího motoru na motorové zkušebně.
37
4. Elektrické vlastnosti - materiál a metodika V práci byly testovány metody určení koncentrace etanolu ve směsi s benzinem na základě elektrických vlastností a na základě optických vlastností. S ohledem na přehlednost práce je členění následujících kapitol změněno. Jelikož teoretická část použitých přímých metod detekce etanolu je poměrně obsáhlá, je pro návaznost a snazší pochopení za teoretickou část zařazena část s výsledky získanými dle popsané metodiky, a poté teprve následuje prezentace další metody. Přímá metoda určení obsahu etanolu ve směsi s benzínem na základě elektrických vlastností vychází z rozdílné elektrické vodivosti a relativní permitivity benzínu a etanolu (Rocha et al., 2005), jak je vidět v tabulce 9. Tato metoda byla původně vyvinuta pro zjišťování obsahu vody v lihových směsích. Tab. 9 – Porovnávané elektrické vlastnosti látek Vlastnost Elektrická vodivost K [µS/cm] Relativní permitivita ε [-]
Etanol 5 24,3
Benzin 0 2
Voda 400* 81
* průměrná hodnota pitné vody, destilovaná voda 0,5 – 3 µS/cm (Analyzavody, 2014) Měření se provádí pomocí sondy, která je ponořená ve směsi paliva a konstrukčně odpovídá kondenzátoru, jehož dielektrikem je právě palivová směs. Jelikož dielektrum kondenzátoru není nikdy dokonalým izolantem je přesné vyjádření sondy – paralelní RC článek (obr. 13).
Obr. 13 – Paralelní RC článek 38
Pro zjednodušenou představu měřících metod založených na měření elektrických vlastností představuje benzin pro svou minimální vodivost a relativní permitivitu netečnou složku paliva. Roste-li vodivost i relativní permitivita paliva, roste koncentrace etanolu v palivu. Pokud by rostla výrazně vodivost oproti nárůstu relativní permitivity, pak by se dalo předpokládat, že palivo je kontaminováno vodou. Podle použitého způsobu napájení (stejnosměrné, střídavé) tohoto RC článku a měřených charakteristik (deformace napájecího signálu, doba vybití) je možno rozlišit více metod vedoucích k určení palivové směsi (Rocha et al., 2005).
4.1.
Vybíjecí charakteristika Vybíjecí charakteristika je metoda využívající stejnosměrné napájení sondy (RC
článku), měří se jako pokles napětí v čase a má exponenciální charakter. Přivedením napětí na svorky článku se ten nabijí a napětí na svorkách roste. Po dosažení určité hodnoty napětí se napájení odpojí, RC článek se začne samovolně vybíjet a měří se doba, za jakou napětí klesne na požadovanou hodnotu. Tento pokles napětí v čase se dá vyjádřit časovou konstantou obvodu τ, kdy =
.
(1)
Kde τ je časová konstanta obvodu [s], Rx je odpor měřeného obvodu [Ω], Cx je kapacita měřeného obvodu [F]. Pokud měření zopakujeme s tím, že vybíjíme článek ještě přes přídavný známý odpor R (obr. 14), získáme soustavu rovnic, z nichž je možné určit Rx a Cx RC článku.
Obr. 14 – Paralelní RC článek s přídavným vybíjecím odporem R 39
=
=
.
.
(2) (3)
Kde τ1, τ2 jsou naměřené časové konstanty [s], R je přídavný vybíjecí odpor [Ω].
4.2.
Konduktometrie Druhou metodou pro zjištění směsi paliva pomocí elektrických vlastností je
konduktometrie. Tato metoda je založena na napájení sondy signálem střídavého napětí a následné analýze fázového posunu a amplitudy transformovaného výstupního signálu vůči vstupnímu. Teorie vychází z RLC obvodů, kdy v případě RC článku napájeného střídavým napětím, periodické nabíjení a vybíjení kondenzátoru způsobuje předbíhání proudu vůči napětí. Jelikož se jedná o paralelní obvod, je proud protékající kondenzátorem a rezistorem stejný. Mění se však napětí na jednotlivých součástkách. Napětí na odporu odpovídá jeho rezistenci, napětí na kondenzátoru jeho kapacitanci (zdánlivý odpor kondenzátoru). Jak bylo zmíněno výše, u kondenzátoru dochází ještě k fázovému posunu napětí vůči proudu, takže výsledný napěťový signál procházející tímto obvodem je modulován amplitudově i fázově (Reichl, 2006). Stejně jako u vybíjecí charakteristiky lze tuto změnu signálu matematicky popsat, jako přenosovou funkci obvodu. Matematické vyjádření přenosové funkce je závislé na konstrukčním provedení sondy (desková, koaxiální, izolovaná, neizolovaná).
40
4.3.
Zařízení pro měření elektrických vlastností
4.3.1. NI ELVIS Pro měření elektrických vlastností bylo použito simulační zařízení NI ELVIS (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) společně s různými typy měřících sond. NI ELVIS je výukové zařízení pro simulaci a měření elektrických obvodů (obr. 15). Vývojová deska, která je součástí tohoto zařízení, byla použita pro sestavení měřícího obvodu, ke kterému byla připojena měřící sonda (obr. 16). Díky tomu nebylo nutné vyrábět žádné komponenty typu tištěný obvod. Měřené signály byly přenášeny do stolního počítače s vývojovým systémem (LabVIEW) a měřící kartou (NI PCI-6251). Měřící parametry celého zařízení určuje tato měřící karta, proto její základní parametry jsou dostupné v tabulce 10.
Obr. 15 – NI ELVIS (1- stolní počítač se softwarem LabVIEW, 2 - měřící karta NI PCI-6251,3 – 68 pinový kabel, 4 – vývojová deska, 5 – ovládací panel)
Obr. 16 – Vývojová deska NI ELVIS při měření deskové sondy 41
Tab. 10 – Základní parametry měřící karty NI PCI-6251
NI PCI-6251 Typy měření
napětí frekvence
digitální kvadraturní čítač
Analogové vstupy Vstupy se společnou zemí Diferenciální stupy Rozlišení Vzorkovací frekvence Maximální napětí Maximální rozsah napětí Minimální rozsah napětí Analogové výstupy Výstupy Rozlišení Maximální napětí Maximální rozsah napětí Minimální rozsah napětí Vzorkovací frekvence Digitální vstupy/výstupy Obousměrné kanály Pouze vstupní kanály Pouze výstupní kanály Maximální rozsah vstupního napětí Maximální rozsah výstupního napětí
16 8 16 bitů 1,25 MS/s 10 V -10 V, 10 V -100 mV, 100 mV 2 16 bitů 10 V -10 V, 10 V -5 V, 5 V 2,86 MS/s 24 0 0 0 V, 5 V 0 V, 5 V
4.3.2. Osciloskop Měřící systém NI ELVIS byl pro kontrolu správnosti generovaných signálů doplněn ještě osciloskopem RIGOL DS1062CA (obr. 17) Jedná se o dvoukanálový osciloskop se vzorkovací frekvencí až 2GS/s v případě použití jednoho kanálu, nebo 1GSa/s pro každý kanál.
Obr. 17 - Osciloskop RIGOL DS1062CA 42
4.3.3. Použité sondy V rámci experimentu byla prováděna měření obou výše popsaných metod. Pro každou z těchto metod bylo však použito více měřících sond. 4.3.3.1. Koaxiální sonda neizolovaná Pro první měření vybíjecí charakteristiky byla použita koaxiální neizolovaná sonda, viz obr. 18. Tento typ provedení je vhodný s ohledem na zástavbu do palivového systému vozidla. Je konstrukčně jednoduché sondu do systému začlenit jako plnoprůtočný prvek a koaxiální provedení nepotřebuje dodatečné stínění, jelikož vnější elektroda je uzemněna. Výkresová dokumentace sondy je na obrázku 19. Stejná sonda byla použita také při měření přenosové funkce obvodu napájeného střídavým napětím.
Obr. 18 – Neizolovaná koaxiální sonda
Obr. 19 – Parametry neizolované koaxiální sondy 43
4.3.3.2. Koaxiální sonda izolovaná Druhým typem použité sondy pro měření přenosové funkce byla sonda koaxiální izolovaná (obr. 20, 21). Tato sonda byla větších rozměrů oproti sondě neizolované ze dvou důvodů. Zaprvé byla sonda navržena již jako plnoprůtočná vzhledem k předpokládané zástavbě do palivového systému zkušebního motoru na motorové zkušebně. Druhým důvodem byl problém s technologií výroby tenké izolační vrstvy na vodivém materiálu sondy. Jako materiál izolační vrstvy byl zvolen teflon.
Obr. 20 – Izolovaná koaxiální sonda
Obr. 21 – Parametry izolované koaxiální sondy
44
4.3.3.3. Desková sonda izolovaná Komplikace s polarizací a problematická výroba izolované koaxiální sondy (pórovitost izolační vrstvy teflonu), vedly v dalším kroku k použití jednoduché deskové sondy (obr. 22, 23). Použití většího počtu měřících elektrod bylo zvoleno za účelem vyšší citlivosti měření a větší odolnosti proti rušení, jelikož sonda na rozdíl od koaxiálního provedení není stíněná.
Obr. 22 – Izolovaná desková sonda
Obr. 23 – Parametry izolované deskové sondy 45
4.3.4. Směsi paliva – vzorky pro měření elektrických vlastností Jak bylo zmíněno dříve, práce je zaměřena na použití v reálných podmínkách, proto nebyla pro měření použita referenční paliva, ale palivové směsi pocházely z běžné distribuční sítě a informace o jejich chemickém složení (přidaných aditivech) jsou minimální. Při určení paliv se vycházelo z norem a kusých informací výrobců o koncentraci biosložek v daném palivu. Vzorky pro měření elektrických vlastností byly namíchány z komerčních paliv Natural 95 a „E85“. Při míchání se vycházelo z předpokladu obsahu biosložky v Naturalu 5 % a koncentraci etanolu v palivu „E85“ 85 %. Palivové směsi byly voleny s ohledem na změnu vstřikované dávky paliva mezi sousedními koncentracemi (rozsah regulace λ-sondy při řízení spalovacího motoru). Prvotním cílem bylo dosáhnout spolehlivého rozlišení daných koncentrací etanolu v palivové směsi. Použité koncentrace a rozdíly vstřikované dávky ukazuje tabulka 11. Tyto směsi tak staly etalony, s nimiž bylo porovnáváno neznámé palivo. Cílem bylo nalézt nejbližší známou koncentraci etanolu v palivu. Tab. 11 – Stechiometrické poměry a vypočtené nárůsty vstřikovaných dávek pro použité koncentrace (teploty 20°C, vlhkost 40%, tlak 99,8kPa)
Palivo
benzín (E0) E15 E25 E40 E55 E70 E85
Konc. Teoretický stechiometrický Teoretický nárůst dávky paliva etanolu poměr proti předešlé koncentraci
[%] 0 15 25 40 55 70 85
hmotnostní [kg.kg-1] 14,50 13,68 13,13 12,30 11,48 10,65 9,83
objemový [l.l-1] 9253 8787 8476 8010 7544 7078 6612
46
hmotnostní [%] 0 6,0 4,2 6,7 7,2 7,7 8,4
objemový [%] 0 5,3 3,7 5,8 6,2 6,6 7,0
4.3.5. Metoda vyhodnocení konduktometrie Transformace signálu byla vyhodnocována v komplexní rovině. Byla vytvořena databáze komplexních čísel odpovídajících etalonovým koncentracím popsaným výše. Pro každou etalonovou koncentraci bylo vytvořeno pole komplexních čísel, odpovídající různým budícím frekvencím. Pro každou frekvenci bylo provedeno minimálně 10 opakování měření minimálně po dobu 3 s (pro nízké frekvence 10 – 100 Hz byl čas prodloužen na 10 s). Pro neznámý vzorek byl vytvořeným softwarem automaticky proveden rozsah měření odpovídající budícím frekvencím použitých u etalonů a vytvořeno adekvátní pole reprezentativních komplexních čísel. Toto pole komplexních čísel neznámého vzorku bylo porovnáno s poli jednotlivých etalonů, a to na dané frekvenci jako vektorová vzdálenost v komplexní rovině. Vyhodnocovací software vyhledal minima těchto vektorových vzdáleností a na základě dalších kriterií zvolil nejbližší etalonovou koncentraci etanolu v palivu. Při optimalizaci softwaru se pro finální stanovení nejbližšího etalonu postupně vyvinulo několik kritérií a jim odpovídajících metod.
47
5. Výsledky měření elektrických vlastností Jak bylo zmíněno na začátku minulé kapitoly, pro přehlednost a snazší srozumitelnost práce jsou po metodice prezentovány výsledky měření elektrických vlastností. První zvolenou metodou pro rozlišení paliva před vstupem do spalovacího procesu, bylo rozlišení jednotlivých koncentrací směsí paliva na základě rozdílných elektrických vlastností jednotlivých složek palivové směsi.
5.1.
Koaxiální sonda a stejnosměrné napětí První pokusy o rozlišení směsí paliva vedly přes měření vybíjecí charakteristiky
neizolované koaxiální sondy. První výsledky těchto měření však odhalily, že dochází k polarizaci elektrod, vzniká elektrický článek, který se při měření vybíjecí charakteristiky nevybije na požadovanou úroveň, a tak nelze danou metodu použít. K jevům polarizace docházelo i při použití naprosto totožného nerezového materiálu pro výrobu obou elektrod sondy.
Obr. 24 – Zapojení neizolované sondy se stejnosměrným napájením Na obrázku 24 je znázorněno schéma zapojení sondy. Po nabití sondy stejnosměrným napětím je rozpojen spínač Do0 a měřením poklesu napětí v čase, způsobeném samovolným vybíjením se určí časová konstanta obvodu τ1. Po opětovném 48
nabití měřící sondy je současně s rozpojením spínače Do0 sepnut spínač Do1 a dochází pak k vybíjení sondy i přes přídavný odpor R. Měřením poklesu je stanovena časová konstanta τ2. Z těchto 2 časových konstant získáme soustavu 2 rovnic o dvou neznámých (Cx a Rx), jak bylo popsáno v minulé kapitole.
5.2.
Koaxiální sonda a střídavé napětí Komplikace vzniklé polarizací elektrod vedly k přechodu na střídavé elektrické
veličiny. Bylo použito zapojení formou dvojbranu. Pro napájení byl zvolen harmonický signál s předpokladem, že jak Ui0 tak Ui1 budou harmonické.
Obr. 25 – Zapojení neizolované sondy se střídavým napájením Na obrázku 25 je vidět, že do měřeného obvodu jsou vloženy ještě operační zesilovače pro zvýšení impedance měřicího vstupu, aby nebyl ovlivňován měřený obvod impedancí měřicí karty. Obvody jsou vloženy do každé větve kvůli fázovému posunu, který vytvářejí. Jejich vliv na měřené veličiny je tak nulový. Při pozorování měřeného obvodu osciloskopem, byl opět zjištěn vliv polarizačních jevů, proto byla neizolovaná sonda vyměněna za sondu koaxiální izolovanou. Jako první byla použita sonda s teflonovou izolační vrstvou (obr. 20), ale i u této sondy byla měřením zjištěna polarizace, která byla přisouzena zjištění nemožnosti zajistit 49
nepórovitost teflonového povrchu. Jako další byla použita původní neizolovaná sonda (obr. 16) ošetřena lakem. Vrstva laku na sondě však byla nerovnoměrná, nebylo možné tedy dostatečně přesně určit kapacitu izolační vrstvy, proto jako další možnost ověření metody byla použita desková sonda, kde izolace jednotlivých desek byla podstatně jednodušší.
5.3.
Desková izolovaná sonda a střídavé napětí Nevýhodou konstrukční řešení deskové je komplikovanější montáž do palivového
systému vozidla. Tyto sondy jsou při použití nainstalovány v nádrži vozidla, takže po natankování, se po nějakou dobu chodu motoru může lišit koncentrace etanolu v nádrži, s koncentrací etanolu ve směsi paliva vstřikovaného do motoru, jelikož se jedná o zbytky směsi v palivovém potrubí, které nebyly s palivem v nádrži promíchány. Konstrukční provedení deskové sondy přineslo zjednodušení výpočtů přenosové funkce obvodu, protože plocha elektrod se vyrovnala. Jak vypadá přenosová funkce této sondy, ukazuje následující kapitola 5.3.1. 5.3.1. Přenosová funkce izolované deskové sondy Základní vlastností prvků ve střídavých elektrických obvodech je impedance Z [Ω]. Impedance je fyzikální veličina vyjadřující zdánlivý odpor prvku a fázový posun napětí proti proudu, který tento prvek vyvolá. Je to veličina vektorová, lze ji tedy vyjádřit velikostí amplitudy a úhlem fázového posunutí φ nebo komplexním číslem. = [Ω] (4) Kde U je střídavé napětí v daném obvodu [V], I je proud v daném obvodu [A].
Následuje vyjádření impedancí základních prvků, se kterými se v obvodech pracuje: -
Impedance odporu (resistance) =
[Ω] (5)
Kde R je resistance [Ω]. -
Impedance cívky (induktance) = . . [Ω]
(6) 50
Kde L je induktance cívky [H], ω je úhlová rychlost [rad.s-1], j je imaginární jednotka. -
Impedance kondenzátoru (kapacitance) =
. .
[Ω]
(7)
Kde C je kapacita kondenzátoru [F]. Ze vztahů plyne, že impedance je závislá na frekvenci, protože = 2. . [rad.s-1] (8) Kde f je frekvence [Hz]. Přenosová funkce systému se tak dá vyjádřit jako poměr součtu impedancí sondy k součtu impedancí celého obvodu (obr. 26). =
[-]
(9)
Kde Z1 a Z3 představují impedance odpovídající izolačním vrstvám sondy [Ω], Z2 je impedancí palivové směsi [Ω], Z4 odpovídá impedanci do měřícího obvodu vřazeného odporu, který ovlivňuje citlivost měřící sondy při určitých frekvencích [Ω]. Velikost tohoto odporu byla určena simulací v závislosti na předpokládané impedanci palivové směsi Z2 a rozsahu použitelných frekvencí měřicí aparatury.
Obr. 26 – Náhradní schéma obvodu izolované sondy 51
Jednotlivé impedance jsou pak vyjádřeny: 1=
[Ω]
.
(10)
Kde Cx1 je kapacita izolační vrstvy jedné elektrody [F]. 2=
.
.
=
.
.
.
[Ω]
(11)
Kde Rx je odpor zkoumané směsi paliva [Ω], Cx je její kapacita [F]. 3=
.
"
[Ω]
(12)
Kde Cx3 je kapacitance izolační vrstvy druhé elektrody [F]. 4=
[Ω]
(13)
Kde R je resistance známého vloženého odporu [Ω].
52
Po dosazení dílčích impedancí pak dostaneme následující vztah pro přenosovou funkci obvodu =
$ %.&
$ '%.& .$ %.& "
$ %.&
[-]
$ '%.& .$ %.& "
(14)
po zjednodušení =
".
". .
".
.
. .
".
.
.
"
.
.
. .
.
. .
.
"
.
. .
. .
.
"
.
. (.
.
".
.
.
[-]
(15)
Jelikož u deskové sondy jsou shodné plochy elektrod a byl použit na izolaci stejný materiál, můžeme si dovolit předpoklad, že i vlastnosti izolačních vrstev elektrod jsou totožné. =
[F]
(16)
Po dosazení do přenosové funkce tak dostaneme =
.
.
. .
.
.
. .
. .
. (.
.
.
.
[-]
(17)
Rozdělením dostaneme: = ) + +, . [-]
(18)
Kde ReG je reálná složka komplexního vyjádření přenosové funkce G [-], a ImG je imaginární část [-].
53
) = +, =
-
. -
. .
.
-
. . .
.
..-
.
.
. .
. .
.
. . . -
. .
.
. .
. .
. .
.
.(
-
.
.(
. .
.
. .
-
.
-
(.
.
..-
(.
.
.
.
.
[-]
(19)
. (.
.
.
.
[-]
(20)
.(
.
.
. (.
.(
.
Pokud použijeme pro vyjádření přenosové funkce G polární souřadnice, pak budou vztahy vypadat následovně. / = − 123
(.
(
. .
.4
(
.
(.
(
(.
(.
.
(
.
(. (
(.
(
.
(
.
.
(.
5
(
.
[rad] (21)
.
Vyjádříme-li úhlovou rychlost ω pomocí frekvence f, dostaneme vztah / = − 123
(
96( .7 ( .
.6.7.
(
.
.4
96( .7 ( .
86( .7( . .
(
.
(
.
(
6( .7( . (
6( .7 ( .
.
.
.
(
(5
(
6( .7( .
.
[rad]
.
(22)
Zjednodušením dostaneme / = − 123 2,:;<1=>2 = ?
(
6( .7 ( .
.6( .7 ( .
(
.
.
.4
.6.7.
(
(
6( .7 ( .
.6( .7( .
.
6( .7 ( . .
.
(
(
.6( .7( . (
.
.
(
6( .7 ( . (
.
6( .7( .
(
6( .7( . (
(
.
.
(
.6( .7 ( . (
.
(5
.
(
6( .7( . .
6( .7( .
.
(
(
.
.
[rad] (23)
.
6( .7 ( . .
(
.
6( .7( .
(
(
. (
.6@ .7@ .
(
.
(
.
(. (
Použijeme-li pro vyjádření neznámých Rx a Cx komplexní složky přenosové funkce G pak dostaneme následující vztahy. =
=
AB ( 8 CB
AB (
8 CB
(.
.- . (.
(
. ( . AB ( (
(.
(
.
. .-
. . AB (.
AB (
.
CB (
CB ( .
. . AB
AB (
CB
CB.
. . AB
(.
(
. ( . CB (
AB ( .
(.
(
. ( . CB (
54
CB (
CB (
[Ω]
(25)
[F]
(26)
[Ω]
(24)
Z rovnic je patrné, že průběh přenosové funkce G je ovlivněn volbou předřadného odporu R a použitou měřící frekvencí. Předřadný odpor primárně moduluje amplitudu signálu přenosové funkce a proto výpočty a experimentálními měřeními byl určen odpor R=3.105 Ω, jako nejvhodnější pro měřený rozsah směsí a měřících frekvencí. Resistance měřených směsí se může pohybovat od velmi nízkých hodnot až po rezistenci benzinu v řádech 106Ω a kapacitance se mění v řádech 10-12 až 10-8F. Kapacitance izolačních vrstev sondy Cx1 = Cx3 = 4.10-8F. Následující grafy (obr. 27 – 32), které jsou výsledkem simulací přenosové funkce, byly provedeny v programu Maple a ukazují, jak se mění reálné (levá část grafu) a imaginární (pravá část grafu) složky přenosové funkce, v závislosti na měnící se budící frekvenci. Výchozí předpokladu zní: palivo s větším podílem benzínu bude mít vyšší hodnotu Rx a nižší hodnotu Cx než palivo s větším podílem etanolu. Podle tohoto předpokladu pak je například z grafů na obrázku 27 patrné, že palivové směsi s vyšším obsahem benzinu jsou na rozdíl od směsí s vyšším obsahem etanolu poměrně dobře rozlišitelné jak v reálné složce přenosové funkce (ReG – levý graf), tak v imaginární složce přenosové funkce (ImG – pravý graf). Jak ukazují další grafy na obrázcích 28 - 32 s rostoucí frekvencí (kolem 1 kHZ) se zlepšuje rozpoznatelnost směsí s vyšším obsahem etanolu jak v reálné tak imaginární složce přenosové funkce. Klesá však schopnost rozpoznávat směsi s vyšším zastoupením benzinu. Při použití vysokých frekvencí se ztrácí rozlišitelnost v ReG a vyšší koncentrace benzinu jsou opět dobře rozlišitelné v ImG. Z gráfů je také patrné, že průběh přenosové funkce zpravidla není monotónní a vyšší citlivost použitelná pro rozlišení jednotlivých směsí, je v rámci dané frekvence poměrně úzká. Takže pro daný rozsah Rx a Cx, odpovídající měřeným směsím, se nepodařilo nalézt frekvenci vhodnou pro jednoznačné rozlišení všech koncentrací. Z grafů plyne, že k rozlišení směsí s nižším procentuálním zastoupením etanolu je vhodnější použití nižších měřících frekvencí a pro vyšší koncentrace etanolu vyšších měřících frekvencí.
55
ReG
ImG
Obr. 27 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 25 Hz.
ReG ImG
Obr. 28 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 100 Hz.
ImG ReG
Obr. 29 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 175 Hz.
56
ReG
ImG
Obr. 30 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 350 Hz.
ImG ReG
Obr. 31 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 1 kHz.
ReG
ImG
Obr. 32 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 10 kHz.
57
5.3.2. Výsledky měření deskové sondy Jak je vidět ze schématu (obr. 33), je vyjádření izolované sondy proti neizolované rozšířeno o další kapacitance Cx1 a Cx3. Tyto kapacitance izolačních vrstev sondy patří do okrajových podmínek a je velmi obtížné je určit. Proto byl učiněn závěr, že pro rozlišení směsi paliva s přesností potřebnou pro řízení spalovacího motoru, stačí vytvořit databázi přenosových funkcí vzorků a srovnávací metodou určit příslušný nejbližší vzorek.
Obr. 33 – Zapojení izolované sondy se střídavým napájením Stejně jako u zapojení neizolované sondy jsou do obvodu vloženy operační zesilovače. U této sondy již nedocházelo k polarizaci elektrod, ale naměřená data se ukázala jako zatížena neznámou chybou, která znemožňovala opakovatelnost měření. Etalonové vzorky vykazovaly posun naměřených hodnot i v bezprostředně po sobě jdoucích měření. Tato metoda byla tedy zavrhnuta. Až na základě hodnocení dat následující metody detekce se ukázalo, že vnesená chyba byla způsobena odparem palivové směsi z volné hladiny kádinky.
58
6. Optické vlastnosti – materiál a metodika Zkoumáním optických vlastností látek se zabývá refraktometrie. Jejím základem je měření indexu lomu. Pro objasnění metody určení paliva, bude nejprve popsána teorie týkající se indexu lomu a jeho měření.
6.1.
Index lomu Prochází-li paprsek monochromatického záření (tj. paprsek určité vlnové délky a
frekvence) skrz rozhraní oddělující dvě různá prostředí lišící se svojí hustotou, dochází k částečnému odrazu a k částečnému průchodu paprsku tímto rozhraním. Prostředí, do kterého paprsek vstupuje, klade určitý odpor, jehož velikost závisí na hustotě prostředí, která je odrazem kvalitativního a kvantitativního složení. Průchodem rozhraní tedy dochází k lomu neboli refrakci světelného paprsku, při kterém se mění jeho směr a rychlost. Pokud směr dopadajícího paprsku je k povrchu kolmý, mění se průchodem pouze rychlost šíření nikoli směr. Ke změnám dochází pouze na rozhraní, uvnitř prostředí se světlo šíří přímočaře (Halliday et al., 2000). Index lomu n je tedy poměr rychlostí šíření v prostředí, jež paprsek opouští c1 a prostředí do nějž vstupuje c2. 3=
D
[-]
D(
(27)
Kde c1 je rychlost šíření v opouštěném prostředí [m.s-1], c2 je rychlost šíření v prostředí do kterého paprsek vstupuje [m.s-1]. Z toho plyne, že index lomu je pouze relativní veličinou, tak bylo nutné zavézt nějaké základní prostředí, k němuž se index lomu bude vztahovat. Tímto prostředím je vakuum, ve kterém je rychlost světelného paprsku největší a je c0 = 2,997925.108 m.s-1 (Halliday et al., 2000). Přechodem paprsku z vakua do daného prostředí tak získáme tzv. absolutní index lomu. D
3E = DF [-] (
(28)
Kde c0 je rychlost světla ve vakuu [m.s-1], c2 je rychlost šíření v prostředí do kterého paprsek vstupuje [m.s-1].
59
6.2.
Princip refraktometru Index lomu můžeme rovněž vyjádřit dle Snellova zákona změnou směru průniku
paprsku prostředím. 3=
GHI J
GHI K
[- ]
(29)
Kde α je úhel dopadu [°], β je úhel lomu [°]. Při průchodu světelného paprsku do jiného prostředí se paprsek láme v důsledku rozdílné rychlosti světla v obou prostředích. Úhly dopadu a lomu se vždy měří ke kolmici na rovinu přechodového rozhraní. Úhel dopadu α je větší než úhel lomu β, pokud rychlost světla v původním prostředí je vyšší, než rychlost světla v prostředí do kterého vstupuje. Nastává tedy lom ke kolmici, v opačném případě lom od kolmice. Refraktometr využívá mezní úhel dopadu α = 90°, tzv. klouzavý paprsek a zjišťuje mezní úhel lomu γ.
Obr. 34 – Lom světla na rozhraní dvou prostředí Obrázek 34 ukazuje, že pokud je zdroj světla dopadající na rozhraní dvou vrstev v levém horním kvadrantu, pak lom světla rozdělí pravý spodní kvadrant na dvě části, osvětlenou a neosvětlenou. Tato hranice je dána mezním úhlem γ , který odpovídá paprsku přicházejícímu po hranici obou vrstev. Vzniklé světelné rozhraní v pravém 60
spodním kvadrantu se pak promítá na stupnici refraktometru a tím se určuje index lomu dané látky. V tabulce 12 jsou uvedeny absolutní indexy lomu, některých látek, a v tabulce 13 indexy lomu některých kapalin. Absolutní index lomu je vztahován k lomu na rozhraní vakua a dané látky, prostým indexem lomu se označuje lom na rozhraní vzduch s danou látkou. Proto je rozdílný absolutní index lomu H2O a index lomu H2O (tab. 11,12). Tab. 12 – Absolutní index lomu Látka Vakuum Vzduch Voda (H2O) Etanol (C2H5OH) Korundové sklo Diamant
Index lomu 1,00 1,0003 1,33 1,36 1,5 2,42
Tab. 13 – Index lomu některých kapalin při teplotě 20°C Látka voda etanol propan-1-ol propan-2-ol butan-1-ol Pentan-1-ol cyklopentan cyklohexan benzen toluen aceton
Vzorec H2O C2H6O C3H8O C3H8O C4H10O C5H12O C5H10 C6H12 C6H6 C7H8 C3H6O
Index lomu 1,33299 1,36143 1,38556 1,37720 1,39930 1,41000 1,40645 1,42623 1,50112 1,49693 1,35868
Jestliže benzin je směs uhlíkatých látek obsahující převážně řetězce o délkách C4 až C10, lze z tabulky 13 usuzovat, že by se mohl index lomu takové směsi pohybovat kolem hodnoty 1,45. Z porovnání s indexem lomu etanolu 1,36 je patrné, že je vzájemný rozdíl značný. Na základě této úvahy tedy byla navržena metoda určující obsah etanolu ve směsi s benzínem na základě změny indexu lomu.
61
6.3.
Zařízení pro měření optických vlastností
6.3.1. Refraktometr ruční Pro počáteční ověření hypotézy rozlišitelnosti směsí etanolu a benzínu na základě rozdílného indexu lomu byl použit univerzální refraktometr RI (refrakční index) s měřícím rozsahem 1,33-1,40 RI a rozlišením 0,01 RI (obr. 35). Tento rozsah nebyl dostatečný pro plný rozsah měřených směsí, ale ověřil platnost hypotézy pro směsi s obsahem etanolu 40 % a více.
Obr. 35 – Univerzální refraktometr RI 6.3.2. Refraktometr digitální Na základě, úspěšného ověření předpokladů ručním refraktometrem byl pro komplexní měření použit přesnější digitální refraktometr ATAGO PAL-RI (obr. 36), jehož parametry můžete vidět v tabulce 14. Měřící rozsah tohoto zařízení je již dostatečný, aby pokryl celou škálu měřených směsí paliva a má i řádově vyšší přesnost než refraktometr ruční. Tab. 14 – Měřící vlastností refraktometru ATAGO PAL-RI
Refraktometr ATAGO PAL-RI Měřící rozsah Rozlišení Přesnost měření
1,3306 - 1,5284 RI 5 - 45 °C 0,0001 RI 0,1 °C ± 0,0003 RI ±1°C
62
Obr. 36 – Digitální refraktometr ATAGO PAL-RI
6.4.
Palivové směsi – vzorky pro měření refraktometrie Jak bylo zmíněno dříve, vzhledem k zaměření práce na použití v reálných
podmínkách, byla stejně jako u měření elektrických vlastností použita pro míchání vzorků paliva z běžné distribuční sítě. Jako složky etalonových směsí bylo použito komerční palivo Verva 100 a denaturovaný bioetatanol 98 %. Verva 100 od Benziny a.s. byla použita pro svůj deklarovaný 0% obsah biosložky. Současně s etalony z Vervy a bioetanolu, byly namíchány vzorky z Vervy 100 a „E85“. Před namícháním byla určena skutečná koncentrace etanolu v „E85“ porovnáním s etalony a s ohledem na výsledek byly připraveny vzorky. Další část vzorků byla připravena nahrazením Vervy 100 Naturalem 95, ten byl použit z distribuční sítě OMV. Kontrolnímu porovnání však byly podrobeny vzorky Natural 95 z distribučních sítí Shell, Benzina, Agip.
63
6.5.
Motorová zkušebna Experimentální měření byla prováděna na motorové zkušebně, za použití 5 směsí
paliv o různých koncentracích etanolu. Pro jednotlivá paliva, byla předem stanovenou metodou, provedena optimalizace palivové mapy (vstřikované množství paliva) v celém provozním rozsahu a bylo provedeno a zaznamenáno měření emisí při vnější otáčkové charakteristice motoru. Měřené parametry motoru byly zaznamenávány pomocí čidel zkušebny, paralelních k čidlům motorovým, která byla použita pouze jako vstupy pro řídicí jednotku. Těmito parametry byly teplota, tlak a hmotnost nasávaného vzduchu, teplota a tlak paliva, tlak oleje, teplota oleje a chladicí kapaliny na vstupu a výstupu z motoru, teplota spalin, emise výfukových plynů. Měřené hodnoty ze všech uvedených snímačů byly se společnou časovou osou průběžně ukládány do paměti měřícího počítače zkušebny. Záznam dat a jejich zpracování probíhalo pomocí softwaru vytvořeného pro potřeby měření ve vývojovém prostředí programu LabView 2011 na Ústavu techniky a automobilové dopravy. Pracoviště motorové zkušebny, kde byly experimenty prováděny, ukazuje obrázek 37. Jednotlivé součásti jeho hardwarového vybavení, včetně zkušebního motoru jsou popsány níže.
1
2
Obr. 37 – Zkušebna motorů Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně, 1 – zkoušený motor Škoda 1,4-16V, 2 – dynamometr AVL Alpha 240
64
Aby byla zaručena opakovatelnost provedených měření, součástí měřícího stanoviště jsou i další zařízení nutná pro jeho chod. Pro zajištění opakovatelných podmínek teplotního namáhání motoru je součástí zařízení také kondice chladicí kapaliny motoru a kondice olejové náplně (obr. 38). Obě tato zařízení jsou schopna regulovat teplotu příslušného média s přesností ±1°C od požadované hodnoty na vstupu do motoru.
Obr. 38 – Kondice chladicí kapaliny AVL 553S (vlevo), kondice olejové náplně AVL 554S (vpravo) Nedílnou součástí zkušebny je také výkonná vzduchotechnika, zajišťující konstantní teplotu ve zkušební kobce, jejíž součástí je i klimatizační jednotka o chladicím výkonu 50 kW, přivádějící přímo k vzduchovému filtru motoru vzduch o definované konstantní teplotě. Palivové hospodářství zkušebny je vybaveno čtyřmi samostatnými nádržemi na různá paliva. Toho lze využít při zkoušení různých paliva na stejné pohonné jednotce. Měření pak není komplikováno neustálou manipulací s palivy a výplachem nádrží, aby nedošlo ke vzájemné kontaminaci paliv. Součástí palivového hospodářství je výkonné palivové čerpadlo dodávající palivo o tlaku až 1MPa při průtoku až 300 l/hod.
65
6.5.1. Dynamometr Pro zatěžování motoru byl použit elektricky vířivý dynamometr, jehož parametry jsou uvedeny v tabulce 15. Pomocí dynamometru se kromě točivého moment motoru měřily i jeho otáčky a to pomocí indukčního snímače otáček, který je součástí dynamometru. Tab. 15 – Technické parametry dynamometru Typ dynamometru Výrobce Model Maximální brzdný výkon Maximální brzdný moment
Elektrický vířivý AVL DynoPerform Alpha 240 240 kW 600 Nm
Maximální otáčky Typ řízení
10000 min-1 otáčková a momentová regulace
Přesnost měření otáček Přesnost měření momentu
±1 min-1 ±0,2% z rozsahu [Nm]
Dynamometr využívá pro svoji funkci účinků vířivých Foucaultových proudů. Rotor dynamometru je tvořen ocelovým kotoučem, který je po svém obvodu opatřen ozubením. Rotor se otáčí v kyvně uloženém statoru. Magnetický obvod je buzen kruhovou cívkou ve statoru. Otáčí-li se rotor v nabuzeném magnetickém poli statoru, vznikají v povrchové vrstvě statoru pulsace magnetického toku, které indukují v rotoru vířivé Foucaultovy proudy. Tyto vířivé proudy působí proti změně magnetického pole a tak vyvolávají moment, jímž je brzděn rotor vůči statoru tzv. brzdný moment. Pomocí ramene na statoru se tento moment přenáší na tenzometrický snímač síly. Vznikem vířivých proudů se mění kinetická energie rotoru v tepelnou energii, která je odváděna chladicím médiem do chladicího systému zkušebny. Regulaci dynamometru a snímání naměřených údajů zajišťuje řídicí počítač zkušebny.
66
6.5.2. Analyzátor Měření emisí výfukových plynů probíhalo pomocí čtyřsložkového emisního analyzátoru spalin Bosch ETT 088.71, který splňuje požadavky české legislativy pro úřední měření emisí. Přístroj je vybaven vlastním PC, přes které je zajištěno spojení se zkušebnou, aby veškerá data mohla být ukládána se společnou časovou osou. K měřeným emisím patřil kyslík O2, oxid uhličitý CO2, oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky HC. Jedná se o analyzátor, který pro měření obsahu CO2, CO a HC využívá nedisperzní infračervené spektroskopie NDIR (Non-Dispersive Infra-Red). Tato metoda je založena na schopnosti uvedených složek emisí výfukových plynů absorbovat (pohlcovat) infračervené záření specifické vlnové délky (pro HC – 3 -3,5 µm, pro CO nad 4,5 µm, pro CO2 – 4,2 µm) infračervené záření. Čím větší je podíl příslušného druhu plynu ve výfukových plynech, tím větší část infračerveného záření dané vlnové délky je tímto plynem pohlcována. Měření kyslíku probíhá v analyzátoru pomocí elektrochemického kyslíkového senzoru. Analyzátor i s měřícími rozsahy je zobrazen na obrázku 39.
Obr. 39 – Analyzátor Bosch ETT 088.71
67
6.5.3. Motor Pro porovnávací měření paliv byl použit atmosférický zážehový čtyřválcový motor značky Škoda, jehož sériové parametry najdete v tabulce 16. Zkušební motor byl oproti sériovému motoru vybaven řídící jednotkou Magneti Marelli SRA-E, sací trakt byl doplněn o hmotnostní průtokoměr nasávaného vzduchu (MAF), výfukové potrubí bylo bez třícestného katalyzátoru a z motoru bylo odpojeno příslušenství (alternátor, kompresor klimatizace a čerpadlo servořízení). Tab. 16 – Technické parametry zkušebního motoru udávané výrobcem Výrobce Typ motoru Zdvihový objem Vrtání x zdvih Kompresní poměr Počet ventilů na válec Vstřikovací tlak paliva Palivo Maximální výkon Maximální točivý moment
Škoda Auto AUB 1390 cm3 76,0 x 75,6 mm 10 4 0,3 MPa Natural 95 74 kW při 6000 ot/min 126 Nm při 4400 ot/min
Významnou změnou provedenou na motoru, byla změna reduktoru tlaku paliva. Vstřikovací tlak paliva byl navýšen z 0,3 na 0,5 MPa. Tato změna byla nutností pro zajištění plnohodnotného provozu motoru na vysokoprocentní etanolové palivové směsi. Stechiometrický poměr pro směs E85 je kolem 9,9 oproti 14,7 u benzínu, což vede k nárůstu vstřikovací dávky zhruba o 39%. Bohužel vstřikovací ventily většiny vozidel jsou dimenzovány na 85 ˗ 90% procentní vytížení (duty cycle), takže umožňují pouze 15 – 10 % navýšení vstřikovací dávky. Nejjednodušším řešením tak bylo zvýšit vstřikovací tlak a tím tak průtočnou kapacitu vstřikovačů. 6.5.4. Elektronická řídicí jednotka motoru (ECU) Jak bylo zmíněno výše, sériová řídící jednotka byla nahrazena programovatelnou elektronickou řídící jednotkou Magneti Marelli SRA-E (obr. 40) hned z několika důvodů. Tím nejdůležitějším je finanční náročnost získání přístupu do sériové řídicí jednotky. Neméně důležitým aspektem je možnost nové ECU obsahovat více palivových a předstihových map pro řízení motoru a možnost naprogramování podmínek pro jejich vzájemné přepínání, nebo možnost například úpravy dávky paliva a
68
předstihu zážehu v závislosti na více externích signálech. Základní parametry řídicí jednotky najdete v tabulce 17.
Obr. 40 – Elektronická řídící jednotka Magneti Marelli SRA-E Tab. 17 – Základní parametry řídící jednotky Výrobce Model Vstupy Analogové vstupy Lambda sonda (+ předehřev) Senzor klepání Termočlánek typ K NTC/PT1000 snímače teploty NTC vnitřní snímač teploty Napětí baterie Napěťové vstupy s referencí nebo Hallovy snímače On/Off digitální vstupy Lap Trigger Výstupy Ovládání vstřikovačů Indukční nebo logické ovládání zapalování H-můstek PWM Low-side On/Off Napěťová reference
69
Magneti Marelli SRA-E 8 1 2 2 4 1 1 6 6 1 8 6 1 4 2 2
7. VÝSLEDKY REFRAKTOMETRIE Po rozporuplných výsledcích z měření elektrických vlastností byla navržena refraktometrická metoda, jako pokus vycházející z měření množství alkoholu v kapalinách pomocí refrakce. Výsledky získané měřením pomocí optického refraktometru, nejsou v této práci prezentovány, přestože pro formulaci metody rozlišení paliv byly stěžejní. Důvodem je nižší přesnost daného zařízení a možné vnesení chyby, kterého se může zhodnocovatel dopustit při odečítání hodnot ze stupnice. Naměřená data byla zpracována v softwaru Microsoft Excel 2007 a podrobena statistické analýze v programu STATISTICA v.10.
7.1.
Vliv odparu vzorku na index lomu První měření ukázala, že na rozdíl od ručního optického refraktometru, kde je
vzorek uzavřen mezi hranolem a sklíčkem, v případě použitého digitálního refraktometru je měření značně ovlivněno odparem měřeného vzorku. Měření vlivu odparu na refrakční index, vedla k závěru, že opakovatelnost měření elektrických vlastností selhala právě z důvodu odparu vzorku z volné hladiny kádinky, ve které byla měřící sonda ponořena. 1,46 1,45 1,44
Index lomu [-]
1,43 1,42 1,41 E0 1,4
E50
1,39
E100
1,38 1,37 1,36 1,35 18
19
20
21
22
23
Teplota měřeného vzorku [°C]
Obr. 41 – Index lomu závislý na odpařování měřeného vzorku 70
Graf na obrázku 41 ukazuje výsledky opakovaných měření na třech vzorcích paliva. Měření bylo prováděno následným postupem. Po nanesení vzorku na misku digitálního refraktometru bylo spuštěno měření, jehož výsledek byl okamžitě zapsán a bylo spuštěno další měření (interval 10s) dokud se vzorek z refraktometru prakticky neodpařil. Teplota vzorku je měřena kovovým kroužkem kolem sklíčka refraktometru a jeho výška zároveň určuje hladinu potřebného množství vzorku (obr.36). Z grafu tedy plyne, že zatímco etanol (E100) díky svému jednoznačnému chemickému složení index lomu mění v průběhu odpařování jen nepatrně, tak odpařování těkavějších složek se vzorku benzínu má vliv podstatný. V případě E50 je posun menší oproti benzínu, ale je dán právě jeho koncentrací ve směsi. Z měnících se teplot je patrné jak odpar vzorku ochlazoval kovový teplotní měřící kroužek refraktometru. V případě benzínu E0 a směsi E50 po odpaření těkavějších frakcí a poklesu hladiny vzorku opět docházelo k ohřevu kroužku okolním vzduchem. Vzhledem k předpokladu použití sondy určující index lomu paliva v palivovém potrubí vozu, jak ukazuje návrh palivového systému vozidla s přímým vstřikem paliva (obr. 42), tak že palivo bude touto sondou protékat a sonda tak bude plně zatopena bez volné hladiny, která by umožňovala odpar, tak jak tomu je u ručního optického refraktometru, byl problém změny indexu lomu vlivem odparu vyloučen. Tomuto závěru byl adekvátně přizpůsoben sběr dat. Jelikož objem vzorku nutný pro jedno měření indexu lomu je jen 1ml, byly měřené směsi namíchány v objemu 1dm3 a skladovány v uzavřených lahvích s minimální plochou pro odpar a minimálním volným objemem pro vznik par. Pro každé měření byl použit čerstvý vzorek odebraný z této nádoby. Tímto postupem byl vliv odparu na degradaci směsi a nepřesnost měření minimalizován.
71
Obr. 42 – Schéma upraveného palivového systému pro zážehový motor s přímým vstřikem paliva (1,2,3,4 – vysokotlaké vstřikovače, 5 – vysokotlaká palivová lišta, 6 – čidlo teploty paliva, 7 – vysokotlaké čidlo paliva, 8 – chladič paliva, 9 – hrubý palivový filtr, 10 – nízkotlaké palivové čerpadlo, 11 – palivová nádrž, 12 – jemný palivový filtr s odlučovačem vody a nízkotlakým regulátorem, 13 – vypouštění odlučovače vody, 14 – ohřev paliva, 15 – vysokotlaké palivové čerpadlo, 16 – vysokotlaký regulátor, 17 – refraktometrická sonda paliva)
72
7.2.
Směsi paliva stejného složení různého stáří Jako první byly připravovány a měřeny vzorky namíchané z Naturalu 95 a „E85“.
Neznalost přesného objemového zastoupení biosložky v Naturalu 95 a E85 znamenala, že označení směsí E5, E15…E85 v tomto měření jsou pouze teoretické. Směsi byly míchány na tyto koncentrace s předpokladem obsahu biosložky 5 % v Naturalu 95 a 85 % etanolu v „E85“. Tento předpoklad byl ověřen až při pozdějším porovnání mediánových hodnot etalonů, míchaných z VERVY 100 a denaturovaného lihu, a teoretických E5 a E85, samostatných složek, z nichž byly směsi míchány (tab. 18). Z tohoto porovnání vyplynulo, že prvotní předpoklad byl chybný a Natural 95 neobsahoval žádnou biosložku a obsah etanolu v E85 byl přibližně 80 %. Tab. 18 – Mediány koncentrací Koncentrace 0 15 25 40 55 70 Etalon 75 80 85 90 95 100 5 Teor. 85
Medián 1,4232 1,4135 1,4078 1,3987 1,3889 1,3801 1,3770 1,3740 1,3720 1,3690 1,3667 1,3635 1,4232 1,3739
Z těchto okolností pak plynou posuny mezi teoretickými a skutečnými koncentracemi měřených vzorků, které jsou vyjádřeny v tabulce 19. Tab. 19 – Teoretické a skutečné koncentrace Koncentrace teoretická 5 15 25 40 55 70 85
Koncentrace skutečná 0 10 20 35 50 65 80 73
Kompletní data prezentována podle skutečných koncentrací jsou znázorněna na obrázku 43. Data byla podrobena statistické analýze, ale z výsledku vyšlo podezření, že data jsou zatížena chybou vzniklou odparem vzorku během dlouhodobého skladování. 1,43
1,42
Index lomu [-]
1,41
1,4
1,39
1,38
1,37 0
20 stáří 0
40 60 Objem etanolu v palivu [%] stáří 3 měsíce
80 stáří 6 měsíců
Obr. 43 – Index lomu v závislosti na koncentraci a stáří vzorku, složení Natural 95 + E85 zimní 74
100
Z důvodu tohoto podezření byla provedena opakovaná měření na vliv odparu na vzorcích různého stáří (obr. 44). Vlivu odparu byl podroben nový vzorek etanolu, vzorek starý 2 roky a jako zástupci benzínu nový vzorek Vervy 100 a 3 roky starý vzorek závodního benzínu Carless Hyperflo 250 (vzorek odebrán z 200 litrového po celou dobu uzavřeného barelu). 1,48
1,46
Index lomu [-]
1,44
1,42
1,4
1,38
1,36
1,34 18
19
20
21
22
23
24
25
26
Teplota měření [°C] E100 nový
E100 2roky
Verva 100 nová
Carless Hyperflo 250 (3roky)
Obr. 44 – Vliv odparu na index lomu vzorků různého stáří Z obrázku 44 je patrné, že vliv stáří paliva na index lomu není prokazatelný a obava z chybných dat na obrázku 41 byla oprávněná.
75
7.3.
Směsi paliva stejného stáří, různého složení Po té, co bylo pomocí ručního refraktometru prokázáno, že hypotéza rozlišitelnosti
koncentrace etanolu v lihobenzinové směsi na základě změny indexu lomu je správná, bylo třeba vytvořit databázi etalonů. Protože koncentrace etanolu ve palivu „E85“ se může měnit v rozmezí 70 % – 90 %, byly etalony míchány z benzinu Verva 100, s deklarovaným nulovým obsahem biosložky a denaturovaného bezvodého lihu. Porovnáním naměřených dat etalonů a paliva „E85“ zimní šarže, byla zjištěna skutečná koncentrace paliva „E85“ a to 70 %etanolu (E70). Současně se vzorky míchanými z Vervy 100 a denaturovaného lihu byly míchány vzorky z Vervy 100 a „E85“ stejných koncentrací. Při míchání byla zohledněna skutečná koncentrace etanolu v palivu „E85“. Na obrázku 45 jsou prezentována naměřená data jednotlivých směsí i s ohledem na složky, z nichž byly připravovány. Každá směs byla 20krát opakovaně měřena výše popsanou metodou (pro každé měření nový vzorek). Do měření bylo zahrnuto ještě měření letní šarže paliva „E85“, která jasně vykazuje vyšší koncentraci etanolu a svými hodnotami indexu lomu odpovídá skutečné koncentraci E85 (85% etanolu). Z obrázku 45 je také patrné, že rozdíly mezi stejnými koncentracemi směsí tvořenými různými složkami jsou minimální a jednotlivé koncentrační stupně jsou také plně rozlišitelné. Malé rozdíly v použití různých složek jsou vidět v tabulce popisné statistiky (tab. 20). Tabulka 21 pak prezentuje statistický rozbor dat pouze s ohledem na koncentrace směsí, nikoli na složení. Obrázky 46 a 47 ukazují základní statistická data v grafech, z nichž je zřejmé, že jednotlivé koncentrace směsí jsou od sebe plně rozlišitelné.
76
1,43
1,42
Index lomu [-]
1,41
1,4
1,39
1,38
1,37 0
20
40
60
80
100
Objem etanolu v palivu [%] Verva100 + etanol
Verva 100 + E85 zimní
E85 letní
Obr. 45 – Index lomu v závislosti na koncentraci a složení směsi
77
Koncentrace
Složení
0 15
VERVA 100 VERVA 100 + etanol VERVA 100 + E85 zimní VERVA 100 + etanol VERVA 100 + E85 zimní VERVA 100 + etanol VERVA 100 + E85 zimní VERVA 100 + etanol VERVA 100 + E85 zimní VERVA 100 + etanol E85 zimní VERVA 100 + etanol E85 letní
15 25 25 40 40 55 55 70 70 85 85
Počet vzorků 20 20
1,422895 1,413330
20
1,413545
1,413100
1,413990
1,413200 Vícenás.
2
1,412850 1,414200
0,000950
20
1,407830
1,407452
1,408208
1,407800 Vícenás.
2
1,407150 1,408400
0,000807
20
1,407295
1,406913
1,407677
1,407550 1,406200
4
1,406450 1,407950
0,000817
20
1,398820
1,398408
1,399232
1,398650 Vícenás.
2
1,398150 1,399550
0,000880
20
1,397695
1,397337
1,398053
1,397650 Vícenás.
2
1,397100 1,398250
0,000765
20
1,388870
1,388559
1,389181
1,388850 1,388500
3
1,388500 1,389350
0,000664
20
1,389005
1,388792
1,389218
1,388950 1,388700
4
1,388650 1,389400
0,000456
20 20 20 20
1,380035 1,379825 1,371925 1,371480
1,379847 1,379679 1,371819 1,371415
1,380223 1,379971 1,372031 1,371545
1,380100 1,379750 1,371950 1,371500
4 4 4 5
1,379700 1,379600 1,371800 1,371400
0,000402 0,000313 0,000227 0,000140
Průměr
Interval Interval Četnost Dolní Horní Medián Modus spolehlivosti -95% spolehlivosti 95% modu kvartil kvartil 1,422279 1,423511 1,423200 Vícenás. 2 1,421600 1,423800 1,412875 1,413785 1,413450 Vícenás. 2 1,412600 1,414250
1,380200 1,379600 Vícenás. Vícenás.
1,380350 1,380100 1,372100 1,371600
Směrodatná odchylka 0,001316 0,000973
Tab. 20 – Popisné statistiky směsí paliv podle koncentrace a složení Koncentrace
Počet vzorků
Průměr
0 15 25 40 55 70 85
20 40 40 40 40 40 40
1,422895 1,413438 1,407563 1,398258 1,388938 1,379930 1,371703
Interval spolehlivosti -95% 1,422279 1,413132 1,407292 1,397940 1,388756 1,379811 1,371609
Interval spolehlivosti 95% 1,423511 1,413743 1,407833 1,398575 1,389119 1,380049 1,371796
Medián
Modus
1,423200 1,413400 1,407600 1,398200 1,388900 1,379950 1,371650
Vícenás. Vícenás. Vícenás. Vícenás. 1,388500 1,380200 1,371600
Četnost modu 2 3 4 3 5 6 6
Tab. 21 – Popisné statistiky směsí paliv podle koncentrace 78
Dolní kvartil 1,421600 1,412750 1,406900 1,397500 1,388550 1,379600 1,371500
Horní kvartil 1,423800 1,414200 1,408150 1,398850 1,389400 1,380200 1,371950
Směrodatná odchylka 0,001316 0,000955 0,000846 0,000994 0,000566 0,000371 0,000292
1,43
1,42
index lomu [-]
1,41
1,40
1,39
1,38
1,37
1,36 0
15
25
40
55
70
85
koncentrace etanolu [%]
Prumer Prumer±SmCh Prumer±1,96*SmCh
Obr. 46 – Indexu lomu v závislosti na koncentraci etanolu ve směsi s benzinem (1) 1,43
1,42
index lomu [-]
1,41
1,40
1,39
1,38
1,37
1,36 0
15
25
40
55
koncentrace etanolu [%]
70
85
Medián 25%-75% Min-Max
Obr. 47 – Indexu lomu v závislosti na koncentraci etanolu ve směsi s benzinem (2)
79
Jak je vidět z obrázků 48, 49 rozložení naměřených dat neodpovídá předpokladu homogenity pro analýzu ANOVOU, proto data byla podrobena párovému t-testu, aby potvrdil, že jednotlivé koncentrace jsou spolehlivě odlišitelné. Výsledky t-testu jsou znázorněny v tabulce 22.
Obr. 48 – Grafický souhrn pro index lomu - VERVA 100 (E0)
Obr. 49 – Grafický souhrn pro index lomu - E85 letní šarže (E85) 80
Tab. 22 – Výsledky párového t-testu indexu lomu podle koncentrací Porovnávané koncentrace K1 K2 0 15 0 25 0 40 0 55 0 70 0 85 15 25 15 40 15 55 15 70 15 85 25 40 25 55 25 70 25 85 40 55 40 70 40 85 55 70 55 85 70 85
Průměr K1
Průměr K2
t-test
Stupně volnosti
Vypočtená hladina významnosti
1,42290 1,42290 1,42290 1,42290 1,42290 1,42290 1,41344 1,41344 1,41344 1,41344 1,41344 1,40756 1,40756 1,40756 1,40756 1,39826 1,39826 1,39826 1,38894 1,38894 1,37993
1,41344 1,40756 1,39826 1,38894 1,37993 1,37170 1,40756 1,39826 1,38894 1,37993 1,37170 1,39826 1,38894 1,37993 1,37170 1,38894 1,37993 1,37170 1,37993 1,37170 1,37170
31,776 54,663 81,079 140,113 193,130 236,483 29,113 69,655 139,515 206,793 264,215 45,091 115,668 189,136 253,311 51,540 109,301 162,173 84,141 171,020 110,211
58 58 58 58 58 58 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78
0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
Z výsledků párového t-testu indexu lomu (tab. 22), kde byla posuzována všechna data, je zřejmé, že rozdíly mezi jednotlivými koncentracemi jsou vysoce významné. Nejdůležitější je však rozdílnost mezi sousedními koncentracemi, jejichž výsledky jsou v tabulce zvýrazněny červenou barvou. Naměřenými daty byla proložena spojnice trendu, zobrazena i se svou rovnicí a indexem determinace v grafu na obrázku 50. Vzhledem k vysokému indexu determinace (R2 = 0,9978) bylo rozhodnuto, že lineární spojnice trendu je pro popis dat dostatečná a to i s ohledem na možné využití v řídicích algoritmech ECU motoru. Jak ukazují tabulky 23 a 24, rovnice spojnice trendu, byla ještě podrobena analýze variance, která potvrzuje vysokou hladinu významnosti dané rovnice.
81
1,43
Index lomu [-]
1,42 1,41 y = -0,0006x + 1,4223 R² = 0,9978
1,4 1,39 1,38 1,37 1,36 0
20
40 60 Koncentrace [%]
80
100
Obr. 50 – Lineární spojnice trendu pro naměřená data indexu lomu Tab. 23 – Analýza variace pro testování statistické významnost regresní funkce pro index lomu v závislosti na koncentraci Parametr
Stupně volnosti
Regrese Rezidua Celkem
1 10 11
SS
MS
Vypočtená hladina významnosti
F
0,00440354 0,004403538 10983,37275 4,0093E-06 4,00928E-07 0,00440755
1,53324E-16
Tab. 24 – Analýza variace pro testování statistické významnost členu regresní funkce pro index lomu v závislosti na koncentraci Koeficienty Chyba stř. reg. fce. hodnoty Intercept x
t test
1,42251671 0,00039196 3629,267336 -0,0005973 5,6996E-06 -104,8015876
Vypočtená hladina významnosti 6,2074E-32 1,53324E-16
Jestliže je závislost indexu lomu na koncentraci etanolu v palivu natolik markantní jak ukazuje lineární spojnice trendu (obr.50), pak není potřeba se omezovat na rozlišení jednotlivých koncentračních tříd (E0, E15,…,E85). V případě navrhovaného flex-fuel systému lze koncentraci etanolu v benzínu určovat z naměřeného indexu lomu paliva rovnicí 30 plynoucí z grafu na obrázku 48. L=
,
E,EEE9
[%] (30)
82
Kde k je koncentrace měřené směsi paliva [%], RI je naměřený index lomu [-]. Pokud známe koncentraci paliva pak lze dopočítat stechiometrický poměr pro danou koncentraci benzínu s etanolem. NO
P
=
- EE PQID..GRCDSTF PQID.GRCDST FF EE
[kg/kg] (31)
Kde AFRk je stechiometrický poměr směsi paliva [kg/kg], stechE0 je stechiometrický poměr čistého benzínu [kg/kg], stechE100 je stechiometrický poměr čistého etanolu [kg/kg].
7.4.
Algoritmizace řízení upraveného flex-fuel systému Jak bylo řečeno výše, z výsledků vyplývá, že není třeba paliva dělit do
koncentračních tříd a je možno určit skutečnou koncentraci daného paliva s potřebnou přesností. Pak tedy není nutné mít jiné řídicí algoritmy, než má běžný benzínový motor. Stačí jen vstřikované množství paliva upravit vhodným koeficientem, vyplívajícím ze stechiometrických poměrů naměřeného paliva s palivem, pro nějž jsou vytvořeny základní řídící algoritmy uložené v ECU motoru (benzin). WX
LUGRřHP = WX
(
[-] (32)
Kde kvstřik je koeficient změny vstřikované dávky [-], AFR1 je stechiometrický poměr výchozího paliva (benzin) [kg/kg], AFR2 je stechiometrický poměr porovnávaného paliva [kg/kg]. Dosazením získáme rovnici: LUGRřHP =
Z [ ,@((" ].GRCDSTF [F,FFF\ Z( [ ,@((" ].GRCDSTF [F,FFF\
Y EE Y EE
Y Y
Z [ ,@((" ].GRCDST FF [F,FFF\ Z( [ ,@((" ].GRCDST FF [F,FFF\
[-] (33)
Kde RI1 je index lomu výchozího paliva [-], RI2 je index lomu porovnávaného paliva [-]. Pokud vyjdeme z předpokladu, že pro motor je základním palivem, na které jsou nastaveny řídicí algoritmy benzin, pak po dosazení do rovnice 33 dostaneme: -
hmotnostní změnu vstřikované dávky LUGRřHP = Y9,
.
^,__
] [-] 83
(34)
Kde RI je naměřený index lomu srovnávaného paliva -
objemovou změnu vstřikované dávky LUGRřHP = Y
`,^8 _.
^,
] [-]
9`
(35)
Pro teploty paliva a vzduchu 20°C, tlak = 99,8 kPa a vlhkost vzduchu 40 %. V obou případech je předpoklad, že hodnota RI je také korigovaná na teplotu 20°C. Z popsaných rovnic pak vyplývá jednoduché začlenění signálu refraktometrické sondy do řídicího systému motoru. Míra využití informací sondy je ale závislá na schopnostech a vybavenosti ECU a samozřejmě na motoru samotném (rozsahu řídících parametrů). 7.4.1. Rozšíření systému zážehového motoru s λ-sondou Pokud bychom chtěli refraktometrickou sondu dodatečně zabudovat do již existujícího systému vozu, bylo by nejjednodušší upravovat pouze dávku paliva. Jak ukazuje obrázek 51. Řídicí jednotka refraktometrické sondy by na základě indexu lomu a teploty paliva určila korekční koeficient a signál pro vstřikovače z ECU motoru pouze upravila. Pro plnohodnotné využití by měly být vyměněny vstřikovací trysky paliva za trysky s větším průtokem. Potřebný korekční faktor by mohl být zahrnut v korekci vstřikované dávky v ECU sondy. Řídicí jednotka motoru by neregistrovala žádnou změnu systému a měla by zachovány všechny své funkce. Pokud by byla jednotka motoru vybavena čidlem detonačního hoření, mohla by využít vyššího oktanového čísla paliva s větším objemem etanolu a posunout bod zápalu (předstih) a tím zvýšit termickou účinnost hoření.
Obr. 51 – Schéma řízení motoru při dodatečné montáži detekce etanolu 84
7.4.2. Implementace do nového systému řízení Pokud se jedná o návrh kompletních řídících algoritmů řízení motoru s detekcí etanolu v palivu, jak bylo jedním z cílů této práce, pak signál ze sondy by měl být zaveden přímo do řídící jednotky motoru (obr. 52). Stávající používané ECU mají dostatečnou kapacitu pro práci s dalšími signály a zde by přibyl pouze signály indexu lomu a teploty paliva. Jejich implementace do algoritmů by však mohla být daleko širší.
Obr. 52 – Schéma řízení motoru s detekcí etanolu v palivu Rozšíření by se týkalo hlavně „nouzového“ režimu motoru. Za běžného chodu by byla znalost paliva použita při startu motoru, pro korekci základní vstřikované dávky a základní hodnoty předstihu. Autodiagnostické funkce systému by byly zachovány, protože povolené korekce λ-sondou, by při správné funkci všech teplotních korekcí, mohla být pouze na úrovni 5 %. V „nouzovém“ režimu, v případě selhání λ-sondy by ECU stále pracovala s přesnou znalostí paliva a chod motoru by tedy nebyl ohrožen. Nepřesnosti v řízení by byly v rozsahu povolených korekcí zpětnovazební λ-regulace (5 %). V případě selhání refraktometrické sondy by motor přešel do klasické širokopásmové korekce λ-sondou, jako je tomu u základních flex-fuel systémů, aniž by došlo ke změně chodu motoru. Elektronická řídící jednotka motoru by nahlásila chybové hlášení s nutností návštěvy servisu. V případě selhání detekce etanolu, nebo kyslíkového čidla by byl chod motoru bez razantních změn v produkci emisí
85
výfukových plynů, komfortu a ekonomičnosti provozu, pouze v případě selhání obou čidel současně by se motor dostal do skutečného nouzového režimu. Vzorkovací frekvence refraktometrické sondy 1Hz, odpovídající vzorkovací frekvenci běžných teplotních snímačů ve spalovacím motoru, je dostatečná pro kvalitní řízení spalovacího procesu.
86
8. Měření na motorové zkušebně Pro ověření metody řízení spalovacího motoru s refraktometrickou sondou byla provedena experimentální měření na motorové zkušebně. Jelikož refraktometrická sonda do palivového systému zatím nebyla vyrobena, byl vzorek paliva odebrán s palivového systému motoru a korekční koeficient ručně vložen do algoritmů řízení spalovacího motoru. Jako první krok bylo nutno provést naladění palivových a předstihových map pro základní palivo, jelikož původní mapy nebylo možné použít kvůli navýšení vstřikovacího tlaku paliva z 0,3 na 0,5 MPa. Zvýšení vstřikovacího tlaku bylo provedeno za účelem zajištění nárůstu vstřikovaného množství pro vysokoprocentní etanolové směsi. Bylo provedeno naladění palivové mapy pro komerční paliva Natural 95 (obr. 53) a „E85“ (obr. 54). Z důvodu objektivity měření byly vypnuty všechny korekční parametry řídící jednotky jako: korekce dávky paliva a předstihu podle teplot provozních kapalin, barometrického tlaku, korekce dynamického předstihu, atd.
Obr. 53 – Palivová mapa pro palivo Natural 95 (vstřikované množství paliva v závislosti na otáčkách motoru a % otevření škrtící klapky)
87
Obr. 54 – Palivová mapa pro palivo „E85“ Nastavení map bylo provedeno v plném rozsahu provozních podmínek zkušebního motoru a ke kontrole byl použit analyzátor výfukových plynů Bosch ETT 088.71. Pro porovnání jednotlivých paliv byly změřeny vnější otáčkové charakteristiky zážehového motoru. V případě Naturalu 95 a „E85“ byl použit následný postup měření: -
Nejprve bylo provedeno naladění palivových a předstihových map pro Natural 95 a provedeno měření vnější otáčkové charakteristiky.
-
Bezprostředně po ukončení měření byl z palivové lišty motoru odebrán vzorek paliva (~1 dm3) a změřena teplota a index lomu palivové směsi.
-
Bylo provedeno měření průtoku paliva vstřikovacími ventily.
-
Stejný postup byl opakován pro palivo „E85“.
Naměřená data obou paliv jsou znázorněna v tabulkách 25 a 26. Pro větší přehlednost jsou v grafu na obrázku 55 znázorněny výkonové parametry a součinitele přebytku vzduchu. Jak je z tabulek 25 a 26 patrné teploty nasávaného vzduchu byly v obou případech prakticky totožné, v případě „E85“ byly o něco vyšší teploty provozních kapalin motoru. Přesto, že množství nasátého vzduchu, tedy kyslíku, bylo u „E85“ nižší než u Naturalu 95, byl dosažený výkon motoru vyšší (76,2 kW proti 79,8 kW), tento fakt lze přičíst vysokému obsahu kyslíku v palivu a tedy eliminaci ztráty při sání.
88
140
1,30 1,20
120 100
1,00 0,90
80
0,80 60
0,70
Lambda [-]
Výkon korigovaný [kW] Točivý moment [Nm]
1,10
0,60
40
0,50 20
0,40 5750
5500
5250
5000
4750
4500
4250
4000
3750
3500
3250
3000
2750
2500
2250
2000
1750
0,30 1500
0
Otáčky motoru [1/min] Točivý moment - Natural 95
Točivý noment - E85
Výkon - Natural 95
Výkon - E85
Lambda - Natural 95
Lambdda - E85
Obr. 55 – Srovnání výkonových parametrů (Natural 95, „E85“) Z tabulek 25 a 26 je možné také vyčíst naměřený index lomu a podle rovnice 30 dopočítané koncentrace etanolu v daných směsích. Pro získání korekčního koeficientu vstřiku mezi palivem Natural 95 (E5,7) a palivem „E85“ (E72,2) je zapotřebí naměřené indexy lomu dosadit do rovnice 33. Dosazením vychází kvstřik =1,308 porovnáváme-li E85 s Naturelem 95. Jinak řečeno vstřikovaná dávka E85 by měla být o 30,8% větší než vstřikovaná dávka Naturalu 95. Proto bylo provedeno porovnání hodnot vstřikovaných dávek tak, jak bylo provedeno naladění zkušebního motoru. Procentuální navýšení hodnot vstřikovaných dávek „E85“ proti Naturalu 95, z map (obr. 53, 54), je znázorněno v tabulce 27. Z této tabulky vyplývá, že změna dávky paliva je v celém rozsahu provozních režimů daného motoru víceméně stejná a odpovídá průměrnému navýšení 30% vstřikované dávky paliva „E85“ proti Naturalu 95. V tabulce je vidět že při 95% otevření škrticí klapky a otáčkách motoru nad 4500 min-1 je navýšení vstřikované dávky paliva 32 %, což vysvětluje bohatší směs a nárůst výkonu oproti Naturalu 95 v tomto spektru otáček (obr. 55).
89
Tab. 25 – Data vnější otáčkové charakteristiky motoru pro palivo Natural 95 Palivo: Natural 95 Výkon Točivý Výkon korigovaný moment ISO 1585 [1/min] [Nm] [kW] [kW] 101,35 15,9 17,0 1500 110,84 20,3 21,7 1750 110,75 23,2 24,7 2000 112,16 26,4 28,2 2250 114,11 29,9 31,9 2500 113,57 32,7 34,9 2750 109,29 34,3 36,7 3000 110,47 37,6 40,2 3250 112,03 41,1 43,9 3500 116,72 45,8 49,0 3750 120,24 50,4 53,9 4000 124,33 55,3 59,3 4250 125,87 59,3 63,6 4500 122,92 61,1 65,5 4750 123,41 64,6 69,3 5000 123,76 68,0 73,0 5250 121,13 69,8 74,9 5500 117,78 70,9 76,2 5750 Otáčky
IR(20°C)=1,4189 →E5,7 CO
HC
[%] [ppm] 3,10 116 2,12 144 2,07 132 2,35 114 2,63 104 2,85 96 2,17 81 2,38 80 2,56 77 2,55 67 2,70 59 2,20 47 3,13 51 1,95 69 2,60 61 2,75 61 2,20 69 2,32 61
lambda CO2 [-] 0,91 0,94 0,94 0,93 0,92 0,92 0,94 0,93 0,92 0,93 0,93 0,94 0,91 0,95 0,93 0,93 0,93 0,93
[%] 13,4 14 14 13,9 13,7 13,53 13,9 13,8 13,68 13,75 13,74 14 13,36 14,31 13,86 13,72 13,92 14
O2 [%] 0,05 0,03 0,01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
90
Teplota Průtok nasávaného vzduchu vzduchu [kg/h] [°C] 21,91 81,8 22,13 97,6 88 22,36 22,51 99,9 22,69 112,1 22,99 121,4 23,31 131,7 23,55 139,9 23,98 154 24,33 171,8 24,57 183,2 24,92 204,5 25,22 221,9 25,57 238,2 25,83 252,1 26,09 266,1 26,72 271,2 26,93 268
barometrický tlak: 97,8 kPa Teplota Teplota oleje chladicí kap. Tlak oleje vstup výstup vstup výstup [°C] [°C] [°C] [°C] [10e5 Pa] 54,48 58,17
60,43 64,63
63,35 67,86
64,75 68,73
3,43 3,66
62,24
68,53
71,44
72,14
3,78
65,42 68,60 73,43 72,48 66,97 62,48 63,47 65,76 68,90 71,38 55,30 63,29 70,24 67,62
72,50 75,54 79,70 77,79 70,10 65,40 67,14 69,88 73,33 75,70 57,79 67,77 75,04 70,92
75,61 78,82 83,57 87,64 89,75 90,52 91,23 92,71 95,94 99,34 75,21 81,67 88,46 94,59
76,43 79,60 85,52 90,49 93,04 95,50 97,91 100,36 104,16 107,97 83,56 93,24 101,20 99,69
3,89 3,92 3,83 3,77 3,79 3,80 3,80 3,78 3,67 3,56 4,51 4,19 3,94 4,02
66,18
69,35
97,02
108,03
3,68
Tab. 26 – Data vnější otáčkové charakteristiky motoru pro palivo „E85“ Palivo: E85 Výkon Točivý Výkon korigovaný moment ISO 1585 [1/min] [Nm] [kW] [kW] 99,58 15,6 16,8 1500 108,72 19,9 21,3 1750 110,30 23,1 24,7 2000 112,90 26,6 28,5 2250 113,62 29,7 31,9 2500 114,14 32,9 35,2 2750 110,14 34,6 37,1 3000 111,59 38,0 40,7 3250 113,22 41,5 44,5 3500 119,57 47,0 50,4 3750 121,47 50,9 54,6 4000 125,36 55,8 60,0 4250 128,15 60,4 64,9 4500 126,81 63,1 67,8 4750 128,49 67,3 72,4 5000 129,36 71,1 76,5 5250 128,24 73,9 79,5 5500 122,97 74,0 79,8 5750 Otáčky
IR(20°C)=1,3790 →E72,2 CO
HC
[%] [ppm] 4,2 152 3,4 177 3,35 155 3,5 143 3,22 130 2,91 126 2,8 120 3,26 133 3,77 124 3,2 101 3,4 83 2,79 66 3,52 70 3,72 70 3,34 65 3,32 83 3,3 78 3,29 89
Teplota Teplota Průtok nasávaného chladicí kap. vzduchu vzduchu vstup výstup [%] [%] [kg/h] [°C] [°C] [°C] 12,4 0,03 80,5 22,81 68,25 76,08 12,99 0,01 92 22,88 69,47 77,54 13,05 0 87,3 23,03 73,90 82,49 13 0 96 23,10 76,76 85,84 13,15 0 108,3 23,27 72,48 78,44 13,36 0 117,5 23,44 70,74 75,26 13,47 0 126 23,71 70,64 75,09 13,1 0 137 23,85 70,17 75,04 12,78 0 149 24,05 71,52 76,58 13,12 0 167 24,25 72,52 77,56 12,96 0 180,1 24,47 73,08 78,05 13,34 0 202 24,85 63,74 67,06 13,1 0 220 25,06 66,00 70,57 12,8 0 234,8 25,39 67,07 72,94 13,04 0 250,1 25,51 73,33 79,29 13 0 262,2 25,69 76,66 82,21 13 0 268 25,79 79,42 84,52 13,05 0 261 26,35 80,41 84,83
lambda CO2 O2 [-] 0,88 0,90 0,90 0,90 0,91 0,91 0,92 0,90 0,89 0,91 0,90 0,92 0,91 0,90 0,90 0,91 0,91 0,91
barometrický tlak: 97,4 kPa
91
Teplota oleje vstup [°C] 80,60 82,75 85,47 88,90 92,24 94,29 94,93 95,74 97,70 98,71 100,33 92,46 95,85 99,82 94,97 97,63 95,36 100,87
Tlak oleje
výstup [°C] [10e5 Pa] 81,98 2,46 83,94 2,79 86,72 3,04 89,99 3,13 94,16 3,20 97,90 3,32 99,72 3,49 101,39 3,58 104,54 3,57 106,11 3,60 108,40 3,58 98,36 3,98 104,13 3,83 110,05 3,68 100,52 4,04 107,54 3,82 104,76 3,97 113,55 3,68
Tab. 27 – Navýšení vstřikované dávky paliva „E85“ proti Naturalu 95
zatížení motoru, otevření škrticí klapky [%]
Otáčky motoru [1/min] 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 6000 0 30 30 30 30 30 30 5 30 30 30 30 30 30 28 28 28 10 30 30 30 30 30 30 30 30 29 30 15 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 35 29 29 20 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 25 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 35 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 40 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 45 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 50 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 55 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 60 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 70 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 75 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 28 28 28 30 30 80 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 28 30 30 30 28 30 30 85 30 30 30 30 30 30 30 30 28 30 30 30 32 30 30 28 30 30 30 28 30 30 90 30 30 30 30 30 30 30 30 28 30 30 30 30 30 30 28 30 30 30 28 30 30 95 30 30 30 30 30 30 30 30 28 30 30 30 28 30 30 28 32 32 32 32 32 30 100 30 30 30 30 30 30 30 30 28 32 28 30 28 30 30 28 30 30 30 30 30 30
92
Pro potvrzení výsledků porovnání Naturalu 95 a „E85“ byly namíchány další tři směsi paliva. Palivové mapy pro tyto směsi vycházely z mapy pro Natural 95. Vstřikované dávky byly pouze upraveny koeficientem vypočteným z rovnice 33. V případě těchto 3 směsí byl postup měření následovný: -
Po natankování směsi paliva do palivového systému zkušebny bylo provedeno několika násobné propláchnutí palivového systému (toto palivo bylo vypuštěno).
-
Byl nastartován motor, aby došlo k vyčištění i vstřikovacích ventilů a slepé větve palivové lišty.
-
Následně byl odebrán vzorek paliva, na základě jehož RI byl určen koeficient kvstřik, kterým byla vynásobena palivová mapa pro Natural 95.
-
Bylo provedeno měření vnější otáčkové charakteristiky motoru.
-
Bezprostředně po ukončení měření byl z palivové lišty motoru odebrán vzorek paliva (~1 dm3) a změřena teplota a index lomu palivové směsi, pro ověření, že palivo odebrané na začátku nebylo kontaminováno předešlou palivovou směsí a neovlivnilo tak hodnotu koeficientu kvstřik.
-
Měření průtoku paliva vstřikovacími ventily bylo provedeno jako v případě Naturalu 95 a „E85“.
-
Stejný postup se opakoval pro další 2 směsi paliva
Naměřená data všech 3 palivových směsí jsou znázorněna v tabulkách 28, 29, 30. V grafu na obrázku 56 jsou pak znázorněny výkonové parametry a součinitele přebytku vzduchu včetně Naturalu 95 (E5,7) a „E85“ (E72,2). Pro přehlednost a vyšší vypovídací hodnotu jsou paliva označena podle skutečné koncentrace etanolu v dané palivové směsi.
93
Tab. 28 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 1 s navýšením vstřikované dávky 12 % Palivo: Směs 1 Výkon Točivý Výkon korigovaný moment ISO 1585 [1/min] [Nm] [kW] [kW] 104,81 16,5 17,2 1500 114,22 20,9 21,9 1750 114,54 24,0 25,1 2000 115,31 27,2 28,4 2250 118,76 31,1 32,5 2500 117,72 33,9 35,4 2750 114,91 36,1 37,8 3000 115,12 39,2 41,0 3250 119,45 43,8 45,8 3500 122,49 48,1 50,4 3750 125,37 52,5 55,0 4000 128,96 57,4 60,2 4250 131,81 62,1 65,2 4500 130,90 65,1 68,4 4750 131,18 68,7 72,2 5000 131,29 72,2 75,9 5250 129,44 74,6 78,4 5500 125,35 75,5 79,5 5750 Otáčky
IR(20°C)=1,3996 →E37,8 CO
HC
[%] [ppm] 2,29 138 0,92 102 1,15 75 1,323 66 1,24 60 1,23 62 0,474 35 1,7 53 1,655 48 1,882 43 1,63 33 0,074 6 1,75 25 1,42 29 1,41 27 1,68 35 1,92 48 2,1 50
Teplota Průtok nasávaného vzduchu vzduchu [%] [%] [kg/h] [°C] 22,19 13,9 0 81,6 22,21 14,6 0 97,7 22,38 14,46 0 87,2 22,53 14,3 0 101,3 22,70 14,32 0 114,1 22,94 14,29 0 124,4 23,17 14,91 0 134 23,50 14,08 0 141,7 23,89 14,14 0 155,1 24,22 13,88 0 174,2 24,37 14,1 0 188,3 24,76 15,04 0 212 25,06 14,23 0 226,1 25,54 14,29 0 245 25,92 14,24 0 259 26,36 14,05 0 275,1 26,28 13,84 0 272 27,12 13,75 0 267
lambda CO2 O2 [-] 0,93 0,97 0,97 0,96 0,96 0,96 0,99 0,95 0,96 0,94 0,95 1,00 0,96 0,96 0,96 0,95 0,94 0,94
94
barometrický tlak: 99,8 kPa Teplota Teplota oleje chladicí kap. Tlak oleje vstup výstup vstup výstup [°C] [°C] [°C] [°C] [10e5 Pa] 66,92 68,11 72,45 75,25 71,05 69,36 69,26 68,79 70,12 71,10 71,65 62,49 64,71 65,76 71,89 75,16 77,87
73,86 75,28 80,08 83,34 76,16 73,07 72,90 72,86 74,35 75,30 75,78 65,11 68,52 70,82 76,99 79,81 82,06
78,00 79,02 83,50 87,42 90,13 90,94 91,53 92,88 94,89 97,76 98,97 96,41 96,47 81,97 88,14 95,61 94,23
77,44 78,33 82,85 87,10 90,86 93,35 95,01 97,28 100,33 104,25 105,99 101,86 104,19 90,99 98,74 107,14 100,31
2,83 2,99 3,05 3,09 3,21 3,37 3,52 3,58 3,57 3,51 3,51 3,73 3,71 4,22 3,99 3,68 3,98
78,83
82,36
104,92 116,22
3,33
Tab. 29 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 2 s navýšením vstřikované dávky 19 % Palivo: Směs 2 Výkon Točivý Výkon korigovaný moment ISO 1585 [1/min] [Nm] [kW] [kW] 104,30 16,4 17,1 1500 113,98 20,9 21,8 1750 113,93 23,9 24,9 2000 115,92 27,3 28,6 2250 117,33 30,7 32,1 2500 116,74 33,6 35,2 2750 113,55 35,7 37,3 3000 114,43 38,9 40,8 3250 117,28 43,0 45,0 3500 121,17 47,6 49,8 3750 124,29 52,1 54,6 4000 128,68 57,3 60,1 4250 131,01 61,7 64,8 4500 129,68 64,5 67,7 4750 130,77 68,5 71,9 5000 131,33 72,2 75,8 5250 128,77 74,2 77,9 5500 125,61 75,6 79,5 5750 Otáčky
IR(20°C)=1,3953 →E45 CO
HC
[%] [ppm] 3,37 226 1,75 198 1,81 172 2,22 153 2,216 136 2,57 139 1,57 103 2,67 126 2,7 109 2,68 92 2,3 76 1,4 55 2,6 62 2,35 57 1,91 59 2,2 58 2,6 73 2,61 68
Teplota Průtok nasávaného vzduchu vzduchu [%] [%] [kg/h] [°C] 13,25 0 81,9 22,70 14,15 0 97,5 22,76 14,11 0 89 22,91 13,8 0 101 22,99 13,8 0 114 23,15 13,6 0 122,1 23,32 14,16 0 129,8 23,60 13,49 0 142,1 23,73 13,53 0 149,5 23,94 13,47 0 171,9 24,13 13,7 0 187,3 24,35 14,31 0 209,9 24,73 13,65 0 225,2 24,94 13,75 0 243,2 25,27 14 0 257,3 25,39 13,8 0 272 25,56 13,53 0 273 25,66 13,47 0 269,2 26,21
lambda CO2 O2 [-] 0,90 0,94 0,94 0,93 0,93 0,92 0,95 0,92 0,92 0,92 0,93 0,96 0,93 0,94 0,95 0,94 0,93 0,92
95
barometrický tlak: 99,8 kPa Teplota chladicí kap. vstup výstup [°C] [°C] 65,14 71,25 67,04 74,00 71,72 78,83 73,53 80,79 77,42 83,99 81,67 87,51 76,60 82,32 70,16 72,85 71,84 75,02 74,07 78,17 74,93 79,05 64,38 68,40 69,90 74,70 74,21 79,39 70,34 74,59 74,59 79,06 77,52 81,39 78,88 82,81
Teplota oleje vstup [°C] 76,65 78,36 82,97 84,83 87,91 91,53 96,01 96,97 96,54 97,43 99,68 89,54 92,58 96,92 91,06 95,62 94,69 101,85
Tlak oleje
výstup [°C] [10e5 Pa] 75,42 2,63 77,60 2,95 82,70 3,05 84,74 3,24 89,03 3,32 93,62 3,33 98,67 3,27 99,89 3,41 101,13 3,53 103,46 3,54 106,53 3,49 97,24 3,92 101,86 3,81 106,95 3,65 99,06 3,99 105,85 3,74 100,82 3,97 112,89 3,51
Tab. 30 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 3 s navýšením vstřikované dávky 25 % Palivo: Směs 3 Výkon Točivý Výkon korigovaný moment ISO 1585 [1/min] [Nm] [kW] [kW] 103,58 16,3 16,8 1500 112,72 20,7 21,4 1750 114,30 23,9 24,8 2000 115,90 27,3 28,3 2250 117,62 30,8 31,9 2500 118,14 34,0 35,2 2750 113,14 35,5 36,8 3000 114,59 39,0 40,4 3250 117,22 43,0 44,6 3500 121,57 47,7 49,5 3750 124,47 52,1 54,1 4000 128,36 57,1 59,3 4250 131,15 61,8 64,2 4500 130,81 65,1 67,6 4750 131,49 68,8 71,6 5000 131,36 72,2 75,1 5250 130,24 75,0 78,1 5500 127,17 76,6 79,7 5750 Otáčky
IR(20°C)=1,385 →E62,2 CO
HC
[%] [ppm] 2,62 91 1,2 83 1,3 84 1,7 88 1,35 79 1,32 87 0,28 53 1,61 78 1,71 69 1,5 60 1,2 48 0,4 33 1,65 42 1,32 37 1,2 34 1,22 38 1,36 42 1,6 47
Teplota Průtok nasávaného vzduchu vzduchu [%] [%] [kg/h] [°C] 13,5 0 92,1 22,43 14,4 0 99 22,56 14,3 0 87,5 22,72 14,04 0 101,2 22,88 14,13 0 112,9 23,01 14,15 0 122,5 23,24 14,87 0 133,6 23,46 14,1 0 142,1 23,71 14,1 0 158,3 24,12 14 0 173 24,29 14,23 0 187,2 24,52 14,78 0 207 24,48 14,05 0 224 24,77 14,27 0 242,5 25,23 14,5 0 256 25,43 14,21 0 272 25,99 14 0 277 26,11 13,95 0 270,5 26,54
lambda CO2 [-] 0,92 0,97 0,96 0,95 0,96 0,96 0,99 0,95 0,95 0,95 0,96 0,98 0,95 0,96 0,97 0,96 0,96 0,95
O2
96
barometrický tlak: 100,8 kPa Teplota chladicí kap. vstup výstup [°C] [°C] 67,55 73,64 69,21 76,04 71,91 78,89 75,71 82,45 72,98 79,97 70,50 74,78 68,73 72,33 67,69 71,53 70,02 74,33 71,03 75,19 71,50 75,59 72,78 77,00 71,14 75,24 71,23 75,14 71,62 75,29 68,52 71,84 71,46 74,98 72,73 76,43
Teplota oleje vstup [°C] 78,63 80,73 83,38 86,73 89,99 91,99 92,62 93,41 95,31 96,30 97,88 90,21 93,52 97,39 92,66 95,25 93,04 98,41
Tlak oleje
výstup [°C] [10e5 Pa] 79,67 2,48 81,57 2,80 84,28 3,05 87,46 3,14 91,50 3,22 95,14 3,34 96,91 3,50 98,53 3,60 101,60 3,59 103,12 3,62 105,34 3,60 95,58 4,00 101,19 3,85 106,95 3,69 97,68 4,06 104,51 3,84 101,81 3,99 110,35 3,69
140
1,30 1,20
120 1,10 1,00 0,90
80
0,80 60
0,70 0,60
40
0,50 20 0,40 0
0,30 1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
3250
3500
3750
4000
4250
4500
4750
5000
5250
5500
5750
Otáčky motoru [1/min] Točivý moment E5,7
Točivý moment E37,8
Točivý moment E45
Točivý moment E62,2
Točivý noment E72,2
Výkon E5,7
Výkon E37,8
Výkon E45
Výkon E62,2
Výkon E72,2
Lambda - E5,7
Lambda - E37,8
Lambda - E45
Lambda - E62,2
Lambdda - E72,2
Obr. 56 – Srovnání výkonových parametrů měřených paliv 97
Lambda [-]
Výkonkorigovaný [kW] Točivý moment [Nm]
100
Jak je vidět v tabulce 28 refrakční index směsi č.1 měl hodnotu 1,3996 z čehož podle rovnice 30 vyplývá koncentrace etanolu 37,8 %. Z rovnice 33 pak dostaneme srovnáním s palivem Natural 95 kvstřik =1,1285, což odpovídá navýšení dávky o 12,85 %. RI = 1,3996 je však hodnota, která byla naměřena na vzorku bezprostředně po ukončení měření vnější otáčkové charakteristiky. Hodnota naměřená na vzorku před měřením byla 1,4005, z čehož vyplývá navýšení vstřikované dávky paliva o 12 %, které bylo pro danou směs použito. Jak je patrné tabulky nepatrně vyšší hmotnostní průtoky vzduchu oproti
Naturalu
95,
zapříčiněné vyšším
atmosférickým
tlakem,
společně s
nedostatečným navýšením dávky paliva se okamžitě projevily na součiniteli přebytku vzduchu. V případě směsi č.2 byl první odběr pro refraktometrické měření (RI = 1,3923) proveden před uvedením motoru na provozní teploty a ukázalo se, že ještě nabyl zcela vypláchnut palivový systém motoru. Na základě tohoto měření byl stanoven kvstřik = 1,1862 a dávka byla navýšena o 19 %. V případě vzorku odebraného po měření byl naměřen RI = 1,3953 podle kterého byla skutečna koncentrace etanolu v palivu 45 % a navýšení dávky tak mělo být pouze 16,2 %. Vzorek pro určení obohacení byl odebrán z palivového systému až po ohřátí zkušebního motoru na provozní teploty kapalin. Třetí směs byla na základě tohoto měření (RI = 1,3850) vyhodnocena jako E62,2 s kvstřik = 1,25. I přesto, že naměřený index lomu směsi před měřením a po něm se shodoval, byly hodnoty přebytku vzduchu nepatrně vyšší než v případě Naturalu 95. Tento rozdíl lze přisoudit vyššímu atmosférickému (nejvyšší během všech měření) tlaku a tedy o něco vyšším hmotnostním průtokům nasávaného vzduchu. Aby byla vyloučena možnost vnesení chyby do řízení motoru rozdílnými vlastnostmi paliva při vstřikování, byl proveden test průtoku vstřikovacích ventilů na jednotlivá použitá paliva (tab. 31). Jak bylo zmíněno dříve, test byl proveden na všech palivech bezprostředně po doměření vnější otáčkové charakteristiky a odebrání vzorku paliva. Jelikož skutečně vstříknutá dávka paliva je ovlivněna i dobou otevírání a zavírání vstřikovacího ventilu, nebylo měření prováděno jako kontinuální vstřik, ale jako vysoký počet vstřikovacích cyklů. Pro jednoduchost byla zvolena střída cyklu 50 %, (doba otevření a zavření vstřikovacího ventilu je stejná).
98
Tab. 31 – Test průtoku vstřikovacími ventily (tlak paliva 0,48 MPa, střída 50 %) Palivo
E5,7 E37,8 E45 E62,2 E72,2
Hustota Teplota paliva paliva [g/cm3] 744 760 762 777 775
[°C] 20,8 20,8 23 20,1 20,8
Průtok vstřikovačem [ml] (počet cyklů [-] / doba vstřiku [ms]) 2000/20 90 92,5 90 90 90
2000/10 48 50 47 47 48
5000/5 65 65 66 65 66
10000/2 78 78 74 74 77
Protože veškerá data byla sbírána při konstantních (velmi blízkých teplotách), byla minimalizována chyba změny indexu lomu na základě teploty. V případě nasazení této metodiky při řízení spalovacího motoru by musela řídicí jednotka obsahovat teplotní kompenzace indexu lomu. Proto byly použité palivové směsi nakonec podrobeny ještě měření indexu lomu v závislosti na teplotě (obr. 57). 1,43 y = -2E-06x2 - 0,0001x + 1,4224 R² = 0,9874
1,425 1,42
Index lomu [-]
1,415 1,41
y = -2E-06x2 - 0,0001x + 1,4038 R² = 0,9896
1,405 1,4 y = -2E-06x2 - 0,0001x + 1,389 R² = 0,9898
1,395
y = 2E-08x2 - 0,0001x + 1,3982 R² = 0,9713
1,39 1,385 1,38
y = -4E-07x2 - 0,0001x + 1,3821 R² = 0,9546
1,375 -25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Teplota paliva [°C] E5,7
E37,8
E45
E62,2
E72,2
Polyg. (E5,7)
Polyg. (E37,8)
Polyg. (E45)
Polyg. (E62,2)
Polyg. (E72,2)
Obr. 57 – Závislost indexu limu na teplotě a složení palivové směsi 99
25
9. DISKUZE Řízení spalovacího motoru zpětnovazebným řízením přebytku vzduchu ve výfukových plynech je tím nejjednodušším a nejlevnějším řízením spalovacího flex-fuel motoru. Se zpřísňující se emisní legislativou začíná být nezbytné znát skutečné složení spalované směsi paliva, aby i při startu motoru bylo možné hoření směsi optimalizovat a dosáhnout tak i v nepříznivých podmínkách chodu motoru minimální produkce škodlivých polutantů ve výfukových plynech. Metody detekce etanolu v benzínové směsi se však výrazně liší. Například využití detekce množství etanolu pomocí rozdílné vodivosti směsí benzínu a etanolu publikovali M.S.Rocha a J.R.Simoes-Moreira (Rocha et al., 2005). Právě z této jejich publikace vycházela první experimentální měření popsaná v této práci. Rocha et al. popisuje nelinearitu vodivosti vůči koncentraci směsi, založenou na chemických procesech probíhajících ve směsi benzínu s etanolem (obr. 58).
Obr. 58 – Přenosová funkce elektrické vodivosti pro liho-benzinovou směs při teplotě 20°C (Rocha et al., 2005) Rocha et al. popisuje přenosovou funkci elektrické vodivosti jako poměr poklesu napětí procházejícího sondou se 100% etanolem (V0E) ku napětím procházející sondou se směsí etanolu s benzínem (VM). Tuto funkci však vyjadřuje vzhledem k hmotnostnímu poměru složek, zatímco česká legislativa ČSN 65 6511 a ČSN 65 6512
100
předepisuje objemové míchání složek. Rocha et al. dále zmiňuje výrazný vliv teploty paliva na měřené hodnoty jak ukazuje obrázek 59.
Obr. 59 – Vliv teploty palivové směsi na elektrickou vodivost (Rocha et al., 2005) Metoda je prezentována Rochou et al. jako vhodná pro použití ve flex-fuel vozidlech s přesností detekce 10 %. Sám však poukazuje na vysokou variabilitu elektrických vlastností lihobenzinových směsí. 10% rozlišitelnost by byla dostačující pro rozlišení koncentračních tříd uvažovaných v této práci, ale nepodařilo se nám ji bohužel dosáhnout. Měření v této práci potvrdilo vodivosti jednotlivých složek paliva tak jak je Rocha et al. prezentují (vodivost etanolu 5 µS/cm, benzin ~0 µS/cm). Změny elektrických vlastností směsí benzinu s etanolem byly však natolik výrazné, pravděpodobně vlivem aditiv, že výsledky měření byly zcela mimo očekávání (50% směs etanolu a benzinu vykázala vodivost 6,5 µS/cm) a neumožnily tak využití této metody. Další popsanou metodou detekce etanolu pro flex-fuel motory využívající přímý vstřik paliva je detekce na základě průběhu tlaku ve válci motoru během vstřiku paliva. Tuto metodu popsali ve svém článku Nestor Oliverio a Anna Stefanopoulou (Oliverio et al., 2009) a je založena na výrazně rozdílných výparných teplech benzinu a etanolu. Ukazuje se, že etanol při vstřiku více ochlazuje spalovací prostor než benzin. Ochlazením roste hustota směsi a při daném objemu klesá tlak (obr. 60).
101
Obr. 60 – Simulovaný průběh tlaku ve válci během kompresního zdvihu (Oliverio et al., 2009) Míru poklesu tlaku determinuje obsah etanolu v palivu. Doménou této metody je laboratoř, jelikož nevýhodou bránící implementaci do běžných vozidel je vysoká cena a náročnost měřícího zařízení. Existují však i metody detekce etanolu založené na refraktometrii. Autor francouzského patentu FR2965919 David Pasquier (Pasquier et al., 2012) popisuje detekci etanolu (kyslíkaté složky) v palivové směsi pomocí polymeru naneseného na konec optického vlákna. Tento polymer ponořený v palivu pohlcuje kyslíkatou složku paliva (etanol) a tím se mění jeho index lomu, který je měřen. Japonský patent JP2011257229 (TOYOTA, 2011) kombinuje měření jak elektrických, tak optických vlastností paliva. Optické vlastnosti v tomto případě ale nejsou v podobě indexu lomu kapaliny. Senzor se skládá ze dvou elektrod, mezi nimiž protéká palivo. Jednou s elektrod je tenká kovová fólie, u níž dochází k vychýlení při nabytí elektrolytu (paliva). Jelikož je fólie ozařována světelným zdrojem, vychýlení způsobí změnu úhlu odrazu na této vrstvě. Na základě naměřené změny úhlu odrazu a elektrostatické kapacity je pak vyhodnocován obsah etanolu v palivové směsi. Jako nejbližší, v této práci popsané refrakční metodě detekce etanolu, je metoda popsaná v japonském patentu JP2010101801 (Nishikawa et al., 2010). Autoři zde
102
popisují detekci etanolu založenou na měření indexu lomu palivové směsi. Zatímco metoda popsaná v této práci využívá zjednodušeně jeden zdroj světla o všech vlnových délkách v této metodě je měřen index lomu směsi za použití různých vlnových délek světelného záření. Výsledná koncentrace etanolu je pak určována s ohledem na index lomu a vlnovou délku použitého světelného paprsku. Tato metoda by měla vykazovat vyšší přesnost stanovení koncentrace etanolu je však výrazně náročnější na měřící aparaturu a výpočetní výkon vyhodnocovacího zařízení. Metoda prezentovaná v této práci je primárně určena pro použití v motorových vozidlech, kde by měla doplňovat zpětnovazební řízení kyslíkovým výfukovým čidlem, takže její přesnost může být nižší. Podle výsledků je však patrné, že pokud bude uvažován rozsah regulace λ-sondou na úrovni 5 %, jak je tomu u běžných vozidel, je přesnost metody dostatečná. Náročnost vyhodnocovacího zařízení je pak minimální, jelikož pracuje pouze s jednou hodnotou indexu lomu a jeho teplotní korekcí.
103
10. ZÁVĚR V rešeršní části disertační práce poskytuje přehled technických řešení pohonných systémů osobních motorových vozidel vedoucích ke snížení celkové produkce polutantů automobilovou dopravou. Práce se zabývá používáním alternativních paliv a to hlavně biopaliv v podobě etanolu, jakožto nejrozšířenějšího biopaliva na světě. Etanol jehož spotřeba kontinuálně roste, se díky stále efektivnějším metodám výroby a legislativním podmínkám stává významnou konkurencí benzinu. Práce popisuje metody detekce etanolu v benzinových směsích. Srovnává a hodnotí jejich náročnost využitelnost a porovnává je se stávajícími používanými metodami. Stávající flex-fuel systémy jsou posouzeny z hlediska funkce a bezpečnosti. Experimentální část práce zaměřená na detekci etanolu v benzínové směsi nepotvrdila použitelnost metody detekce etanolu na základě elektrických vlastností pro běžně dostupná komerční paliva ČR. Popsala však dosud nepublikovanou metodu determinace obsahu etanolu na základě refrakčního indexu směsi paliva. Část práce zabývající se algoritmizací a optimalizací řízení spalovacího procesu zážehového motoru popsala možné začlenění nové metody do řídících algoritmů a potvrdila jejich relevanci měřeními na motorové zkušebně. Obecným závěrem, plynoucím z této práce by měla být odpověď na otázku, zda rozšíření stávajících flex-fuel systémů o další metodu detekce etanolu je smysluplné a obhajitelné. Je třeba si uvědomit, že detekce etanolu před vstupem do spalovacího procesu, dává možnost včasného nastavení algoritmů s menší nutností korekcí a nese sebou i zálohování a tím spolehlivost celého systému. Navíc systém si zachovává autodiagnostické funkce, které se mohou dále rozšířit. Nejdůležitějším kritériem pro automobilky je cena technologií, aspektem výběru další metody detekce je tedy cena a spolehlivost zařízení a zde vidím největší potenciál refraktometrické metody.
104
11. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Analyzavody, 2014: Vodivost vody. Databáze online [cit. 2014-06-04]. Dostupné na: http://www.analyzavody.cz/konduktivita/
AVL, 20.3.2012: Current Emmission Legislation. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné na: https://www.avl.com/c/document_library/get_file?uuid=9ab8f4e3-be2f478b-9577-0cf4b0a3e4ef&groupId=17818
AVL, 8.2.2012: Emission legislation and trends. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné na: https://www.avl.com/c/document_library/get_file?uuid=c1b5c812-80d94630-94a7-017eb2e81bfd&groupId=17854
Butamax, 2014: The Biobutanol Advantage. Databáze online [cit. 2014-05-29]. Dostupné na: http://www.butamax.com/biobutanol-advantage.aspx
ČAPPO, Česká Asociace Petrolejářského Průmyslu a Obchodu, 2012: Biopaliva. Databáze
online
[cit.
2014-05-27].
Dostupné
na:
http://www.cappo.cz/res/data/000071.pdf
Evropská Komise, 2008: Víceletý program podpory dalšího uplatnění biopaliv v dopravě.
Databáze
online
[cit.
2014-05-27].
Dostupné
na:
http://ec.europa.eu/competition/state_aid/cases/226243/226243_906262_76_2.pdf
Evropská Komise, 2012: Další snižování emisí CO2 z osobních aut a lehkých užitkových vozidel – plus pro klima, spotřebitele, inovace i zaměstnanost. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné na: http://ec.europa.eu/cgi-bin/etal.pl
European Parliament, 8.5.2003: DIRECTIVE 2003/30/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 8 May 2003 on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné
na:
http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2003:123:0042:0042:EN: PDF 105
European Parliament, 27.10.2003: Directive 2003/96/EC of the European Parlament and of the Council on the promotion of restructuring the Community framework for the taxation of energy products and electricity. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné na: http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:02003L009620040501&rid=1
European Parliament, 23.4.2009: DIRECTIVE 2009/28/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THECOUNCIL of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/ECand 2003/30/EC. Databáze online [cit. 2014-05-27]. Dostupné na: http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=Oj:L:2009:140:0016:0062:en:P DF
Gassenfeit E., Powell J., 1989: Algorithms for air-fuel ratio estimation using internal combustion engine cylinder pressure. SAE World Congress, 1989. 890300.
Halliday David, Resnick Robert, Walker Jearl, 2000: Fyzika - Vysokoškolská učebnice obecné fyziky. VUTIUM, 2000. ISBN 80-214-1869-9
Indexmundi, 2014. World Fuel Ethanol Consumption by Year. Databáze online [cit. 2014-05-28].
Dostupné
na:
http://www.indexmundi.com/energy.aspx?product=ethanol&graph=consumption
MagnetiMarelli, 2014: Tetra fuel technology. Databáze online [cit. 2014-05-26]. Dostupné
na:
http://www.magnetimarelli.com/business_areas/powertrain/multifuel-
system/tetrafuel#tab
Marina Andrew, 2014: Efficirent cooling. Racecar engineering. Vol24 No3, 2014, březen 2014. Matějovský, Vladimír, 2005: Automobilová paliva. Praha : Grada Publishing, a.s., 2005. ISBN 80-247-0350-5.
106
McLaren, 2014: McLaren P1 powertrain. Databáze online [cit. 2014-05-28]. Dostupné na: http://media.mclarenautomotive.com/model/7/EN/doc/49/
MECA, 2014: Clean Air Facts. Databáze online [cit. 2014-05-28]. Dostupné na: http://www.meca.org/galleries/files/catconfact_0106.pdf
MyBMWi3,
2014:
Databáze
online
[cit.
2014-05-26].
Dostupné
na:
http://www.mybmwi3.com/forum/viewtopic.php?f=5&t=427
MONTIGNAC F., MOUSSEAU V., BOUYSSOU D., DAMART S., ALOULOU M. A., ROUSVAL B., 2009. L’évaluation Multicritère comme Aide à L’Orientation de la Recherche : Application aux Technologies de Stockage Embarque de L'Hydrogène. Paříž, Francie, Francie : Universite Paris Dauphine, prosinec 2009.
Nakata K., Utsumi S., Ota A., Kawatake K., Kawai, 2006: The effect of ethanol fuel on spark ignition engine. SAE World Congress, 2006. 2006-01-3380.
Nishikawa T., Takabayashi M., Yagyu E., Yoshiara K., Mitani T., Iwai S., 2010: Fuel property detection device. Databáze online [cit. 2014-06-23]. Dostupné na: http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=0&ND=3 &adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20100506&CC=JP&NR=2010101801A &KC=A
Oliverio N., Stefanopoulou A., Jiang Li, Yilmaz H. 2009. Ethanol Detection in FlexFuel Direct Injection Engines Using In-Cylinder Pressure Measurements. s.l. : SAE International, 2009. 2009-01-0657.
Pasquier D., Frot D., Robert V., 2012: Detection device for internal combustion engine of motor vehicle to detect e.g. ethanol in petrol. Databáze online [cit. 2014-0623].
Dostupné
na:
http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?FT=D&date=201 20413&DB=worldwide.espacenet.com&locale=en_EP&CC=FR&NR=2965919A1&K C=A1&ND=7
107
Posada F., Bandivadekar A., German J., 2013: Estimated Cost of Emission Control Technologies for Light-Duty Vehicles. SAE Technical Paper 2013-01-0534
Ragonesi O., Dengler F., Schluter W., 2007: HIL Test Systems for the BMW Hydrogen
7.
Databáze
online
[cit.
2014-05-28].
Dostupné
na:
http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-10387
Reichl Jaroslav, 2006: RLC obvody. Databáze online [cit. 2014-06-05]. Dostupné na: http://www.jreichl.com/fyzika/vyuka/texty/rlc_obvody.pdf
Renaultsportf1, 2014: How that all fits together. Databáze online [cit. 2014-05-28]. Dostupné na: http://www.renaultsportf1.com/How-that-all-fits-together.html
Ribbens W. B., 2003. Understanding Automotive Electronics. s.l. : Newnes, 2003. ISBN 0-7506-7599-3.
Rocha M.S., Simoes Moreira J.R., 2005: A simple impedance method for determining ethanol and regulargasoline mixtures mass contents. FUEL. 30. 10 2005, Sv. Fuel 84, 2005, stránky 447-452.
Sellnau M., Matekunas F., Battiston P., Chang C.,Lancaster D., 2000: Cylinderpressure-based engine control using pressure-ratio-management and low-cost nonintrusive cylinder pressure sensors. SAE World Congress, 2000. 2000-01-0932.
Shell, 2014: Gas-to-liquids. Databáze online [cit. 2014-05-29]. Dostupné na: http://www.shell.com/global/future-energy/natural-gas/gtl/acc-gtl-processes.html
State Energy Office, 2014: Typical efficiencies of electric motors. Databáze online [cit. 2014-05-28].
Dostupné
na:
http://www.wcpss.net/about-us/our-
facilities/facilities/documents/EnergyGuidelines/S4_AppendixD.pdf
Štěrba Pavel, Čupera Jiří, 2010: Autoelektronika. Brno: Computer Press, 2010. ISBN 978-80-251-2414-7
108
TOYOTA Central Res & Dev, 2011: Surface plasmon resonance sensor. Databáze online
[cit.
2014-06-23].
Dostupné
na:
http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=0&ND=3 &adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20111222&CC=JP&NR=2011257229A &KC=A
Vlk František, 2003. Vozidlové spalovací motory. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2003. ISBN 80-238-8756-4.
Vlk František, 2006. Paliva a maziva motorových vozidel. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2006. ISBN 80-239-6461-5.
Wright Peter, 2014: What´s in the pipeline. Racecar engineering. Vol24 No4, 2014, duben 2014.
109
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 – Vliv kompresního poměru na dosažitelnou termickou účinnost………... 11 Obr. 2 – Vývoj parametrů pohonných jednotek motorových vozidel……………. 13 Obr. 3 – Časový vývoj legislativy podle kategorií vozidel………………………. 13 Obr. 4 – Náklady na systémy kontroly a redukce emisí………………………….. 15 Obr. 5 – Vývoj světových emisních norem pro nákladní automobily……………. 15 Obr. 6 – Sériový hybridní systém vozu McLaren P1…………………………….. 20 Obr. 7 – Princip funkce pohonná jednotka Renault RS34 pro vozy F1 vybavené rekuperací kinetické a tepelné energie………………………………….. 21 Obr. 8 – Blokové schéma pohonného ústrojí Opel Ampera,Chevrolet Volt…….. 21 Obr. 9 – Možnosti pohonného ústrojí BMW i3………………………………….. 22 Obr. 10 – Vodíkový pohon BMW Hydrogen 7…………………………………... 23 Obr. 11 – Vývoj světové spotřeby vysokoprocentních etanolových paliv……….. 26 Obr. 12 – Základní rozdělení periferií elektronické řídící jednotky……………… 33 Obr. 13 – Paralelní RC článek……………………………………………………. 38 Obr. 14 – Paralelní RC článek s přídavným vybíjecím odporem R……………… 39 Obr. 15 – NI ELVIS……………………………………………………………….41 Obr. 16 – Vývojová deska NI ELVIS při měření deskové sondy………………... 41 Obr. 17 - Osciloskop RIGOL DS1062CA……………………………………….. 42 Obr. 18 – Neizolovaná koaxiální sonda………………………………………….. 43 Obr. 19 – Parametry neizolované koaxiální sondy……………………………….. 43 Obr. 20 – Izolovaná koaxiální sonda……………………………………………... 44 Obr. 21 – Parametry izolované koaxiální sondy………………………………….. 44 Obr. 22 – Izolovaná desková sonda………………………………………………. 45 Obr. 23 – Parametry izolované deskové sondy…………………………………... 45 Obr. 24 – Zapojení neizolované sondy se stejnosměrným napájením…………….48 Obr. 25 – Zapojení neizolované sondy se střídavým napájením…………………. 49 Obr. 26 – Náhradní schéma obvodu izolované sondy……………………………. 51 Obr. 27 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 25 Hz... 56 Obr. 28 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 100 Hz. 56 Obr. 29 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 175 Hz. 56 Obr. 30 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 350 Hz. 57 Obr. 31 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 1 kHz... 57
110
Obr. 32 – Průběh reálné a imaginární složky přenosové funkce G pro f = 10 kHz. 57 Obr. 33 – Zapojení izolované sondy se střídavým napájením……………………. 58 Obr. 34 – Lom světla na rozhraní dvou prostředí………….……………………... 60 Obr. 35 – Univerzální refraktometr RI…………………………………………… 62 Obr. 36 – Digitální refraktometr ATAGO PAL-RI………………………………. 63 Obr. 37 – Zkušebna motorů Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně…………………………………………………………. 64
Obr. 38 – Kondice chladicí kapaliny AVL 553S, kondice olejové náplně AVL 554S...................................................................................................
65
Obr. 39 – Analyzátor Bosch ETT 088.71………………………………………… 67 Obr. 40 – Elektronická řídící jednotka Magneti Marelli SRA-E…………………. 69 Obr. 41 – Index lomu závislý na odpařování měřeného vzorku………………….. 70 Obr. 42 – Schéma upraveného palivového systému pro zážehový motor s přímým vstřikem paliva………………………………………………………… 72 Obr. 43 – Index lomu v závislosti na koncentraci a stáří vzorku………………… 74 Obr. 44 – Vliv odparu na index lomu vzorků různého stáří……………………… 75 Obr. 45 – Index lomu v závislosti na koncentraci a složení směsi……………….. 77 Obr. 46 – Indexu lomu v závislosti na koncentraci etanolu ve směsi s benzinem (1)…………………………………………………………. 79 Obr. 47 – Indexu lomu v závislosti na koncentraci etanolu ve směsi s benzinem (2)…………………………………………………………. 79 Obr. 48 – Grafický souhrn pro index lomu - VERVA 100 (E0)…………………. 80 Obr. 49 – Grafický souhrn pro index lomu - E85 letní šarže (E85)……………… 80 Obr. 50 – Lineární spojnice trendu pro naměřená data indexu lomu…………….. 82 Obr. 51 – Schéma řízení motoru při dodatečné montáži detekce etanolu………... 84 Obr. 52 – Schéma řízení motoru s detekcí etanolu v palivu……………………… 85 Obr. 53 – Palivová mapa pro palivo Natural 95………………………………….. 87 Obr. 54 – Palivová mapa pro palivo „E85“………………………………………. 88 Obr. 55 – Srovnání výkonových parametrů (Natural 95, „E85“)………………… 89 Obr. 56 – Srovnání výkonových parametrů měřených paliv…………………….. 97 Obr. 57 – Závislost indexu limu na teplotě a složení palivové směsi……………. 99 Obr. 58 – Přenosová funkce elektrické vodivosti pro liho-benzinovou směs při teplotě 20°…………………………………………………………......100 Obr. 59 – vliv teploty palivové směsi na elektrickou vodivost…………………...101 111
Obr. 60 – Simulovaný průběh tlaku ve válci během kompresního zdvihu……….102
112
SEZNAM TABULEK Tab. 1 – Fyzikální vlastnosti a chemické složení benzínu a etanolu……………... 10 Tab. 2 – Evropské emisní normy pro osobní automobily………………………… 14 Tab. 3 – Základní vlastnosti plynných paliv a benzinu…………………………... 23 Tab. 4 – Základní vlastnosti paliv – nafta, MEŘO……………………………….. 25 Tab. 5 – Základní vlastnosti alternativních paliv k benzinu……………………… 25 Tab. 6 – Změna vstřikovací dávky benzinu v závislosti na teplotě [%]………….. 28 Tab. 7 – Změna vstřikovací dávky etanolu v závislosti na teplotě [%]…………... 28 Tab. 8 – Stechiometrické poměry a vypočtené nárůsty vstřikovaných dávek……. 29 Tab. 9 – Porovnávané elektrické vlastnosti látek………………………………… 38 Tab. 10 – Základní parametry měřící karty NI PCI-6251………………………... 42 Tab. 11 – Stechiometrické poměry a vypočtené nárůsty vstřikovaných dávek pro použité koncentrace…………………………………………………… 46 Tab. 12 – Absolutní index lomu………………………………………………….. 61 Tab. 13 – Index lomu některých kapalin při teplotě 20°C……………………….. 61 Tab. 14 – Měřící vlastností refraktometru ATAGO PAL-RI…………………….. 62 Tab. 15 – Technické parametry dynamometru…………………………………… 66 Tab. 16 – Technické parametry zkoušeného motoru udávané výrobcem............... 68 Tab. 17 – Základní parametry řídící jednotky……………………………………. 69 Tab. 18 – Mediány koncentrací…………………………………………………... 73 Tab. 19 – Teoretické a skutečné koncentrace…………………………………….. 73 Tab. 20 – Popisné statistiky směsí paliv podle koncentrace a složení…………….78 Tab. 21 – Popisné statistiky směsí paliv podle koncentrace……………………… 78 Tab. 22 – Výsledky párového t-testu indexu lomu podle koncentrací…………… 81 Tab. 23 – Analýza variace pro testování statistické významnost regresní funkce pro index lomu v závislosti na koncentraci………………………………... 82 Tab. 24 – Analýza variace pro testování statistické významnost členu regresní funkce pro index lomu v závislosti na koncentraci……………………. 82 Tab. 25 – Data vnější otáčkové charakteristiky motoru pro palivo Natural 95….. 90 Tab. 26 – Data vnější otáčkové charakteristiky motoru pro palivo „E85“……….. 91 Tab. 27 – Navýšení vstřikované dávky paliva „E85“ proti Naturalu 95…………. 92 Tab. 28 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 1 s navýšením vstřikované dávky 12 %......................................................................
113
94
Tab. 29 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 2 s navýšením vstřikované dávky 19 %......................................................................
95
Tab. 30 – Data vnější otáčkové charakteristiky pro palivovou směs 3 s navýšením vstřikované dávky 25 %......................................................................
96
Tab. 31 – Test průtoku vstřikovacími ventily…………………………………….. 99
114
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK α
[°]
úhel dopadu
β
[°]
úhel lomu
γ
[°]
mezní úhel lomu
τ
[s]
časová konstanta RC obvodu
c0
[m.s-1]
rychlost světla
c1 , c2
[m.s-1]
rychlost světla v daném prostředí
Cx
[F]
kapacitance sondy
Cx1
[F]
kapacitance izolační vrstvy sondy
Cx2
[F]
kapacitance izolační vrstvy sondy
CO
[mg/km]
emise oxidu uhelnatého
G(ω)
[-]
přenosová funkce obvodu
HC
[mg/km]
emise uhlovodíků
n
[-]
index lomu
n0
[-]
absolutní index lomu
NOx
[mg/km]
emise oxidů dusíku (NO, NO2, N2O)
NMHC
[mg/km]
emise nemetanových uhlovodíků
PM
[mg/km]
emise pevných částic
PN
[1/km]
počet pevných částic
R
[Ω]
resistance
Rx
[Ω]
resistance sondy
U0
[V]
budící signál napětí
U1
[V]
měřený signál napětí
115
AFR
Air Fuel Ratio, poměr paliva se vzduchem
BF
Bi Fuel, pohonná jednotka schopná spalovat 2 různá paliva
CČ
cetanové číslo
CNG
Compressed Natural Gas, stlačený zemní plyn
DME
dimethylether
ECU
Electronic Control Unit, elektronická řídicí jednotka
EGO
Exhaust Gas Oxygen sensor, kyslíkové čidlo výfukových plynů (λ-sonda)
ETBE
etyl-terc. butyl éter
FAME
Fatty Acid Methyl Esters, metylestery mastných kyselin
FFV
Flex Fuel Vehicle, vozidlo vybavené motorem pro spalování směsi benzinu s etanolem
GDI
Gasoline Direct Injection, přímý vstřik benzinu
KERS
Kinetic Energy Recovery System, systém rekuperace kinetické energie
LPG
Liquefied Petroleum Gas, zkapalněný ropný plyn, směs propanu a butanu
MAF
Manifold Air Flow sensor, hmotnostní průtokoměr vzduchu
MEŘO
metyl ester řepkového oleje
MTBE
metyl-terc. butyl éter
OČ MM
oktanové číslo určené motorovou metodou
OČ VM
oktanové číslo určené výzkumnou metodou
UEGO
Universal Exhaust Oxigen sensor, univerzální kyslíkové čidlo výfukových plznů (širokopásmová λ-sonda)
116
