Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva Diplomová práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva Diplomová práce

Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.

Vypracoval: Bc. Petr Hrazdira

Brno 2011

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF Mendelovy univerzity v Brně.

V Brně dne 4.4.2011 ……………………….. Petr Hrazdira

PODĚKOVÁNÍ Rád bych tímto poděkoval vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc., za jeho cenné rady a připomínky při tvorbě této práce. Dále děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za pomoc a praktické vedení při měření na vozidlové zkušebně.

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá porovnáním vybraných parametrů zážehového motoru spalujícího plynné a kapalné palivo. Úvodní část popisuje stručný přehled, a problematiku spojenou s využíváním alternativních paliv pro vozidlové spalovací motory, proti notoricky známým fosilním palivům, motorové naftě a benzínu. Větší pozornost úvodní části je věnována plynným palivům pro stávající spalovací motory, u nichž jsou uvedeny výhody, nevýhody a jednotlivé komponenty s jejich funkčním principem odpovídajícím danému typu a pohonu vozidla. Ústřední část práce se soustředí na vlastní vozidlo s dvoupalivovým systémem, na prostředky a na zařízení nutné k vlastnímu měření vybraných parametrů. Dále pak na vlastní měření zkoušeného vozidla

na

vozidlové

zkušebně

Mendelovy

univerzity

v

Brně.

Závěrečná

a nejpodstatnější pasáž této práce je věnována zpracování a vyhodnocení naměřených hodnot z měření vozidla na LPG a na benzín. Obsahuje též zpracování výsledků do tabulek, grafické znázornění vybraných emisních a výkonových parametrů do charakteristik. Na základě výsledků měření jsou vyvozeny závěry pro provoz vozidla a jeho praktické využití. Klíčová slova: palivový systém, emise, palivo, benzín, LPG, spalovací motor ABSTRACT This diploma thesis presents a comparison of selected parameters of petrol engine burning gaseous and liquid fuel. The introduction describes a brief and

overview

issues related to the use of alternative fuels for combustion engines against

notorious fossil fuels, diesel and gasoline. Greater attention of introduction is focused to gaseous fuels for existing combustion engines, for which the advantages and disadvantages are presented as well as the various components with their functional principle appropriate to the type of vehicle propulsion. The central part of the thesis concentrates on the vehicle with a bi-fuel system, the means and equipment necessary to measure. Further, on the measurement of the examined vehicle in the vehicle testing service at Mendel University in Brno. The final and most important passages of this work is devoted to processing and evaluation of measured values from measurements (of the vehicle running) on LPG and petrol. It also includes processing of the results into tables, graphical representations of selected

performance and emission

characteristics of the parameters. Based on the measurement results, the conclusions are drawn for) operation of the vehicle and its practical use. Key words: fuel system, emission, fuel, petrol, LPG, combustion engine

OBSAH 1

ÚVOD....................................................................................................................... 8

2

ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY................................. 10

3

PLYNNÁ PALIVA PRO STÁVAJÍCÍ SPALOVACÍ MOTORY......................... 11 3.1

3.1.1

Technická řešení systémů pro pohon LPG ............................................... 13

3.1.2

Komponenty plynových palivových systémů........................................... 15

3.1.3

Příslušenství motoru na LPG .................................................................... 16

3.1.4

Koncepce řízení směsi .............................................................................. 18

3.1.5

Regulace bohatosti směsi.......................................................................... 18

3.1.6

Vstřikování plynu (plynná fáze) ............................................................... 19

3.1.7

Vstřikování plynu (kapalná fáze).............................................................. 23

3.2

4

5

6

Zemní plyn (CNG - Compressed natural gas, LNG - Liquefied natural gas) .. 25

3.2.1

Výhody...................................................................................................... 26

3.2.2

Nevýhody.................................................................................................. 28

3.2.3

Základní komponenty CNG vozidla ......................................................... 29

BIOPALIVA A ALKOHOLY................................................................................ 32 4.1

Bioplyn ............................................................................................................. 32

4.2

Bionafta ............................................................................................................ 32

4.3

Bio – (etanol, metanol)..................................................................................... 33

VODÍK.................................................................................................................... 34 5.1

Spalování vodíku v klasických motorech ........................................................ 34

5.2

Palivový článek ................................................................................................ 34

VLASTNÍ PRÁCE ................................................................................................. 35 6.1

7

Propan – butan (LPG - Liquefied petroleum gas)............................................ 11

Cíl vlastní diplomové práce ............................................................................. 35

MĚŘENÉ VOZIDLO ............................................................................................. 36 7.1

Palivový systém zkoušeného vozidla (LPG).................................................... 36

7.1.1

Jednotlivé komponenty LPG systému na měřeném vozidle..................... 37

7.2

Palivový systém zkoušeného vozidla (Natural 95) .......................................... 40

7.2.1 8

ZAŘÍZENÍ A SYSTÉMY POUŽITÉ PŘI VLASTNÍM MĚŘENÍ........................ 45 8.1

Emisní systémová analýza ............................................................................... 45

8.1.1 8.2

8.3

Parametry přístroje DevCom TS Pro ........................................................ 48

METODIKA MĚŘENÍ NA VOZIDLOVÉM DYNAMOMETRU ....................... 49 9.1

Výchozí barometrické podmínky měření......................................................... 49

9.2

Příprava vozidla a stanoviště před vlastním měřením...................................... 49

9.3

Kalibrační testy ................................................................................................ 51

9.3.1

Kalibrační test tachometru ........................................................................ 51

9.3.2

Kalibrační test závislosti rychlosti vozidla na otáčkách motoru............... 51

9.3.3

Test kalibrace pro statické zkoušky výkonu ............................................. 51

9.4

11

Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM-E120D ...... 47

Diagnostický tester DevCom TS Pro ............................................................... 48

8.3.1

10

Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250 ................. 46

Dynamometr pro osobní automobily MEZ 4VDM-E120D ............................. 46

8.2.1

9

Hlavní komponenty systému MPI na měřeném vozidle........................... 40

Vlastní měření .................................................................................................. 51

ZPRACOVÁNÍ A VÝSLEDKY MĚŘENÍ............................................................ 53 10.1

Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 33° .................................. 53

10.2

Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 40° .................................. 57

10.3

Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 54° .................................. 60

10.4

Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 71° .................................. 64

10.5

Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 82° .................................. 68

ZÁVĚR A DISKUSE ............................................................................................. 73 Seznam použité literatury ........................................................................................... 75 Seznam obrázků.......................................................................................................... 77 Seznam tabulek ........................................................................................................... 79

1 ÚVOD Vzhledem k neustále rostoucímu počtu automobilů se musíme stále více zamýšlet nad problémy a komplikacemi, které nám jejich provoz přináší. Provoz na pozemních komunikacích neustále stoupá, a tak se kromě svých specifických negativ podílí na poškozování životního prostředí. Motorová vozidla se spalovacími motory výrazně přispívají, kromě již zmíněných negativ, k nadměrné závislosti Evropské unie na dovážených palivech a jsou jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší ve městech. Zpřísňující se normy pro emise motorových vozidel a požadavky na kvalitu pohonných hmot sice snižují emise znečišťujících látek, ale vzhledem k rostoucí intenzitě dopravy se tato opatření nejeví jako adekvátní a nepřináší dlouhodobé řešení. Paradoxní je dnes také situace, kdy se výrobci automobilů předhánějí ve snižování hodnot emisí, zvláště pak moderní se stala hodnota CO2. Řada prezentovaných hodnot dnes dokonce klesá i pod 100 gramů na 100 ujetých kilometrů, a přitom se nejedná o hybridní automobil. Málo který z prodejců a výrobců ale udává fakt, že jeho nejnovější motor s celou řadou opatření pro snížení emisí škodlivin plnící emisní normu EURO 5 má najednou proti staršímu konstrukčně shodnému motoru plnícímu např. EURO 2 o jeden až dva litry na sto kilometrů vyšší kombinovanou spotřebu pohonných hmot. Potom je důležité zvážit, zda je efekt všech moderních systémů pro snižování škodlivin ve výfukových plynech opravdu přínosem nebo naopak je zcela nevhodný, či dokonce situaci v produkci emisí na ujetou vzdálenost ještě zhorší a je tak jen trendem dnešní doby být na pohled ekologický za každou cenu. Stále jasnější je dnes také fakt, že stávající zásoby fosilních paliv nejsou nekonečné a v dlouhodobém výhledu nejsou schopny uspokojit energetické potřeby lidské společnosti. Avšak navzdory těmto faktům závislost lidstva na fosilních zdrojích stoupá a jedním z mnoha významných přispěvatelů je automobilová doprava. Doprava se stává spolu s oblastí energetiky a průmyslu nejvyšším producentem skleníkových a škodlivých plynů. V Evropské unii je dopravní sektor druhým nejvyšším producentem skleníkových plynů ihned po energetice. V České republice je na třetím místě. Řešením pro část problémů v oblasti dopravy může být, a je použití účinných systémů a opatření k jejich snižování. Cesta ke snížení produkce emisí však zatím 8

nevede pouze přes opatření před motorem (ovlivnění směšovacího poměru a tvorba směsi), u motoru (ovlivnění průběhu spalování) a opatření za motorem (dodatečná redukce škodlivin - katalyzační systémy). Dobrým řešením pro úsporu produkce škodlivin mohou být např. alternativní paliva, ale také stále možné konstrukční úpravy stávajících spalovacích motorů a jejich příslušenství. Možností, technologií jak zvýšit účinnost motorů a tím snížit spotřebu a emise je stále dostatek. Návodem na technické změny, které by měly být v budoucnu zapracovány i do spalovacích motorů těch nejlevnějších vozidel nejnižších tříd mohou být tyto: stírání rozdílu mezi zážehovým a vznětovým motorem (růst komprese – zvýšení termické účinnosti), vícestupňové přeplňování, přímý vstřik paliva s využitím piezoelektrických vstřikovačů, vrstvená dávka směsi, zlepšení zapalování, více ventilové variabilní časování ventilů a systémy rozvodů bez vačkového hřídele, deaktivace válců motoru při režimech nízkého zatížení, inovativní katalytické systémy (opatření za motorem), použití systémů start/stop při jízdě ve městě, snížení ztrát škrcením v sacím traktu, snížení mechanických ztrát. Do alternativních paliv se v dnešní době vkládají velké naděje. Na růst podílu jejich využití proti klasickým fosilním palivům se vyvíjí ve většině zemí světa značný tlak. Přičítá se jim možný recept na vyřešení větší části otázek spojených s negativními vlivy konvenčních paliv. Na druhou stranu se však jejich uplatnění spojuje s řadou bariér, a to především v těchto oblastech: technologicko/technické, geografické, environmentální, legislativní a institucionální, bezpečnostní, veřejné akceptovatelnosti, nákladů, nepoznaných výhod.

9

2 ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY Rostoucí počty automobilů a jejich provozování sebou přináší typické negativní projevy, nad kterými se musíme stále hlouběji zamýšlet a hledat nová optimálnější řešení pro dané problémy s automobily. Jak již bylo zmíněno v úvodu, doprava se stává spolu s oblastí energetiky a průmyslu nejvyšším producentem skleníkových plynů. Řešením pro část problémů může být a je použití alternativních paliv. Alternativní paliva jsou přínosem pro otázku: čistoty životního prostředí (emisí), relativně udržitelné spotřeby ropy, částečné řešení závislosti EU na dodávkách ropy, atd. Alternativní paliva chápeme jako adekvátní náhradu za klasický automobilový benzín a motorovou naftu. Hlavní zástupci pro spalovací motory jsou: stlačený a zkapalněný zemní plyn (CNG, LNG), zkapalněný propan – butan (LPG), bioplyn, bionafta, rostlinné oleje a estery, alkoholová paliva (etanol a metanol) a vodík. V současné době se stále více rozšiřuje sortiment paliv, který je možné s použitím, i bez použití konstrukčních úprav užít k pohonu pístových spalovacích motorů, a to zejména motorů vozidlových. Příčinou použití běžně nezavedených druhů paliv je, jak již bylo zmíněno celá řada ekonomických, ekologických, výzkumných a vývojových důvodů. Tyto hlavní aspekty budou do budoucna rozhodovat o konkurenceschopnosti alternativních paliv vůči konvenčním zdrojům. [1, 2, 5, 8, 20] V následující tab. 1 jsou uvedeny limitní hodnoty škodlivin dle jednotlivých emisních norem pro zážehové motory včetně závazného data jejich platnosti.

EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M1*) Stage

Date

CO

HC

HC+NOx NOx

PM

PN

g/km

#/km

Positive Ignition (Zážehový motor - Gasoline) Euro 1† 1992.07 2.72 (3.16) -

0.97 (1.13) -

-

-

Euro 2

1996.01 2.2

-

0.5

-

-

-

Euro 3

2000.01 2.30

0.20

-

0.15

-

-

Euro 4

2005.01 1.0

0.10

-

0.08

-

-

Euro 5

2009.09 1.0

0.10

-

0.06

0.005

Euro 6

2014.09 1.0

0.10

d

-

0.06

0.005

e,f

Tab. 1 EU emisní standardy pro osobní automobily (kategorie M1) [26]

10

-

3 PLYNNÁ PALIVA PRO STÁVAJÍCÍ SPALOVACÍ MOTORY Plynná paliva jsou z hlediska přípravy směsi výhodnější než paliva kapalná. Umožňují lepší promísení a snadnější dodržení směšovacího poměru paliva se vzduchem, a tím i menší obsah škodlivin ve výfukových plynech. Nezpůsobují vznik karbonových úsad ve spalovacím prostoru. Mají i lepší antidetonační vlastnosti než kapalná paliva. Jejich nevýhodou, bránící většímu rozšíření, je nesnadné skladování, distribuce a malá energetická hustota, vyžadující velký zastavěný objem pro umístění zásobníku paliva při jejich použití na vozidle. Zpřísňující se požadavky na čistotu výfukových plynů však působí na snahu o vyšší využití plynných paliv v provozu motorových vozidel. [5]

3.1 Propan – butan (LPG - Liquefied petroleum gas) LPG v současné době využívá přes 5 miliónů vozidel na celém světě. V ČR je v provozu přes 600 čerpacích stanic na LPG. Zkapalněný ropný plyn, který je především směsí propanu a butanu, obsahuje jen velmi málo síry, žádné olovo a benzenové uhlovodíky. Umožňuje dosáhnout velmi homogenní směsi vzduchu s palivem. V kapalném stavu je bezbarvá kapalina, těkavá, specifického zápachu. Propan – butan je směs zkapalněných rafinérských plynů – uhlovodíků, obsahující převážně propan a butan a menší množství vyšších uhlovodíků, přičemž poměr propanu a butanu v LPG je v různých zemích odlišný. LPG vzniká při rafinaci ropy nebo jako kapalná frakce separovaná od metanu v průběhu těžby zemního plynu. Za normálních atmosférických podmínek se propan butan vyskytuje v plynné formě. Ochlazením nebo stlačením ho lze převést do kapalného stavu. V kapalném stavu zaujímá pouze 1/260 plynného objemu. Snadný přechod mezi dvěma skupenstvími je pro praxi velmi výhodný. Propan - butan je v současnosti nejvíce využívaný plyn v dopravě. Jedná se o levné, z ekologického hlediska příznivé palivo. Díky vazbě na ropu zůstává ale otázkou, zda může být LPG považováno za alternativní palivo. Propan - butan je dobré palivo pro spalovací motory, má příznivé antidetonační vlastnosti, umožňuje při svém spalování udržovat výkon motoru blízký s výkonem motoru spalujícím benzín. Základní vlastnosti propanu, butanu a benzínu jsou uvedeny v tab. 2. [1, 2, 3, 15]

11

Tab. 2 Základní vlastnosti propanu, butanu a benzínu [5]

Přínos a výhody: • čistější výfukové plyny, •

delší životnost mazacího oleje,

•

delší životnost motoru, menší mechanické opotřebení (netvoří se karbon),

•

tišší chod motoru,

•

ekonomická výhodnost provozu,

•

delší dojezd vozidla,

•

možnost volby paliva (LPG – Benzín). [1]

Nevýhody: • menší výkon, •

vstupní investice do pořízení,

•

zmenšení zavazadlového prostoru (řešení v podobě umístění nádrže místo rezervy). [1]

Automobil s plynem si téměř zachovává své jízdní vlastnosti. Tankování je v případě plynu velmi jednoduché a probíhá stejným způsobem jako u benzínu. Neopomenutelnou vlastností plynu je jeho cena, která se pohybuje přibližně na polovině ceny automobilového benzínu. Spotřeba LPG je ve srovnání s automobilovým benzínem vyšší. Pro použití LPG v pístových spalovacích motorech musí být podstatně vyšší čistota plynu, než je obvyklé pro použití P-B jako topného plynu v domácnosti. Pro úspěšné a bezproblémové používání je kvalita prvořadým předpokladem. Kvalitní technologie výroby LPG musí obsahovat řadu kontrolních postupů na zjišťování nežádoucích příměsí. LPG jako palivo pro osobní automobily má svůj přínos ve snížení emisí výfukových plynů při běžném provozu, dále je nutné uvést, že úspora při startu

12

studeného motoru je ještě vyšší. Tato výhoda má hlavní přínos v místech, kde je soustředěno mnoho lidí, jako příklad mohou sloužit centra větších měst atp. V současné době je LPG posuzováno jako palivo alternativní. Vzhledem k emisním vlastnostem plynových motorů (i s ohledem na zásoby ropy – LPG se získává také při těžbě zemního plynu) dostávají plynná paliva (zemní plyn, LPG) perspektivu jako palivo po spotřebování zásob ropy. LPG je palivo s oktanovým číslem o 5 – 10% větším než benzín a je použitelné pro vznětové i zážehové motory. Vyšší oktanové číslo umožňuje vyšší kompresi, a tím i vyšší tepelnou účinnost spalovacího motoru. V poslední době dochází k výraznému oživení zájmu o přestavbu motorového vozidla na alternativní pohon LPG a o provozování čerpacích stanic. Tento trend kopíruje přesně vývoj ceny benzínu a nafty. Vyplývá to z vysoké ceny klasických pohonných

hmot

a

postupného

odbourávání

nedůvěry

veřejnosti

zejména

v nebezpečnost provozu přestavěných vozidel. Dlouholeté zkušenosti však potvrzují, že nebezpečí úniku plynu v provozu a riziko výbuchu při havárii je minimální. LPG je palivo, které je šetrnější k životnímu prostředí. To však platí za předpokladu spalování kvalitně vytvořené směsi a správně seřízeného motoru. Jeho cena sice roste úměrně s cenou ropy, dlouhodobě však zůstává cca na polovině ceny Naturalu 95. Podobný vývoj je i v zemích, kde má používání LPG dlouholetou tradici (Itálie, Holandsko, Francie, Belgie). V České republice je řada montážních dílen, které automobily upravují a provádějí přestavby, servis a seřizování. Některé modely vozidel lze již zakoupit se zabudovaným pohonem LPG u autorizovaných prodejců (ŠKODA, FIAT). Přestavbu lze provádět u zážehových i vznětových spalovacích motorů. Přestavba motoru vznětového je sice možná, není však u osobních automobilů ekonomicky výhodná. [1, 2, 3, 5, 15] 3.1.1

Technická řešení systémů pro pohon LPG

Popis LPG systémů můžeme rozdělit podle použití pro různé druhy motorů. Tak, jak se vyvíjely motory pro pohon automobilů, se vyvíjely postupem času i systémy pro přestavby těchto motorů na plyn. Motivem byla nedostačující technická úroveň těchto systémů a následné problémy, které přestavbu moderních motorů se zastaralým zařízením provázely. Další příčinou stejně tak, jako u benzínových palivových systémů 13

i u palivových systému na plyn bylo nutno plnit požadavky na snižování emisí, snižování spotřeby paliva a růst výkonových parametrů. V současné době se můžeme setkat se třemi základními systémy LPG: [15] 1. Systém s centrálním směšovačem. Stará vozidla vybavená karburátorem vystačí s jednoduchým systémem s centrálním směšovačem, jehož hlavní výhodou je nízká cena. U dnešních vozidel se vstřikováním paliva a řízeným katalyzátorem je potřeba zařízení doplněné řídicí jednotkou, jehož cena je vyšší. Systém má nižší výkon a vyšší spotřebu paliva, než vyspělé systémy. [1] 2. Systém kontinuálního vstřikování. Pro novější automobily je použitelný systém vstřikování plynu, který pracuje na obdobném principu jako systémy vstřikování benzínu. Přísun paliva je zajišťován pro každý válec zvlášť, čímž je dosaženo lepších hodnot výkonu i spotřeby než u jednodušších systémů s centrálním směšovačem. Vyšší kvalitě odpovídají i vyšší pořizovací náklady. [1] 3. Systém sekvenčního vstřikování. Zatím nejmodernějším systémem určeným pro moderní automobily je systém sekvenčního vstřikování plynu. Na rozdíl od předchozího systému jsou zde trysky zajišťující vstřikování plynu do válců elektronicky řízeny. Při použití tohoto systému se spotřeba i výkon motoru, při provozu na plyn, blíží provozu na benzín. [1] Technická řešení zařízení na obr. 1 a 2. pro alternativní pohon osobních automobilů LPG jsou si koncepčně i konstrukčně podobná, liší se pouze v drobnostech.

Obr. 1 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil s karburátorovým motorem bez katalyzátoru) [6] 1 – Tlaková nádrž na LPG, 2 – Příslušenství nádrže, 3 – Plnicí ventil, 4 – Výparník (reduktor), 5 – Škrticí prvek pevně nastavený, 6 – Směšovač, 7 – Čistič vzduchu, 8 – Karburátor a sací potrubí, 9 – Spalovací motor, 10 – Výfukové potrubí.

14

Obr. 2 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil se vstřikováním benzínu a řízeným katalyzátorem) [6] 1 – Tlaková nádrž na LPG, 2 – Příslušenství nádrže, 3 – Plnicí ventil, 4 – Výparník (reduktor), 5 – Spalovací motor, 6 – Čerpadlo LPG, 7 – Čistič vzduchu, 8 – Sací potrubí, 9 – Vstřikovač LPG, 10 – Výfukové potrubí, 11 – Lambda sonda, 12 – Katalyzátor, 13 – Řídicí jednotka motoru, 14 – Řídicí jednotka LPG.

3.1.2

Komponenty plynových palivových systémů

Palivový systém vozidla na LPG sestává z tlakové nádrže na LPG, palivového potrubí a příslušenství motoru pro spalování LPG. Technické požadavky na jednotlivé prvky palivového systému určují. Vyhláška Ministerstva dopravy a spojů o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích stanovuje podmínky provozu a předpis EHK č. 67. [15] 3.1.2.1 Plnící ventil - přípojka dálkového plnění Je zařízení umožňující plnění nádrže z vnější strany vozidla. Konstrukce umožňuje standardní připojení k plnicímu zařízení. Uvnitř přípojky je zpětný ventil, který uzavírá automaticky výstup při ukončení plnění. Je opatřena šroubovatelnou zátkou proti vnějšímu znečištění. Jednotlivé typy plnících ventilů jsou na obr. 3. [2, 6, 15, 24, 25]

Obr. 3 Typy plnících ventilů a použití v jednotlivých státech [21]

3.1.2.2 Tlaková nádrž Nádrž slouží jako zásobník kapalného LPG paliva pro provoz vozidla. Tlakové nádrže rozlišujeme podle tvaru (válcové a toroidní) a použitých materiálů, (ocelové 15

a kompozitní). Nádrž, včetně víceúčelového ventilu je osazena plynotěsnou schránkou a soustavou odvětrávacích hadic, které odvádějí případný únik paliva mimo prostor vozidla. Palivová nádrž musí být ve vozidle řádně upevněna a prostor příslušenství nádrže má být řádně odvětráván. Musí být vybavena předepsaným příslušenstvím. Je uzavřena víceúčelovým ventilem. Nádrž je vybavena štítkem s uvedeným jménem výrobce, datem výroby a schválení, objemem nádrže s využitelnou kapacitou, výrobním a homologačním číslem. Každá nádrž je vybavena certifikátem platným deset let, ten musí být k nádrži přiložen až do konce její životnosti. [2, 6, 15, 24, 25] 3.1.2.3 Víceúčelový ventil Víceúčelový ventil zabezpečuje následující provozní a bezpečnostní funkce: Provozní - plnění nádrže do max. 80% jejího objemu, odběr pohonné hmoty z nádrže, ukazatele stavu paliva v nádrži. Bezpečnostní - omezení toku paliva při úniku nad 6 l/min, zastavení toku paliva při zastavení motoru, omezení přetlaku v nádrži přetlakovým ventilem na 2,7 MPa (27 bar), ruční uzavření přívodu plynu do nádrže a k přípojce dálkového plnění, tepelná pojistka odpustí v případě požáru plyn z nádrže. [2, 6, 15] 3.1.2.4 Palivové potrubí Plastem potažená měděná trubka nebo kompozitní materiál daného průměru. 3.1.3

Příslušenství motoru na LPG

Příslušenství motoru na LPG obsahuje výparník LPG (neplatí pro moderní systémy se vstřikováním kapalného LPG), regulátor tlaku plynného paliva a směšovač. Další skupinou příslušenství jsou různé seřizovací prvky (např. pro základní nastavení bohatosti směsi), bezpečnostní a regulační ventily (u moderních systémů připojené k elektronickému řízení). [2] 3.1.3.1 Regulátor tlaku Regulátor tlaku (výparník), odebírá teplo z chladicího systému motoru k odpaření, tj. mění kapalný PB na plynnou fázi PB. V této plynné fázi se PB přivádí ke směšovači, kde se mísí s nasávaným vzduchem, proudícím přes vzduchový filtr sacím potrubím motoru. Takto vzniklá palivová směs je poté sacím potrubím přiváděna do spalovacího 16

prostoru motoru. V případě systému vstřikování je PB přiváděn k jednotlivým válcům a vstřikován v blízkosti benzínových vstřikovacích ventilů. [2, 6, 15] 3.1.3.2 Směšovač Směšovač je konstruován tak, aby ve spojení s regulačním členem a regulátorem tlaku dodával motoru při provozu na plyn vždy konstantní poměr plynu a vzduchu a při provozu na benzín nezhoršoval původní parametry. Na obr. 4 je uveden karburátorový palivový systém se směšovačem a na obr. 5 použití směšovače u palivového systému s vstřikováním benzínu. [6]

Obr. 4 Směšovač u palivového systému s karburátorem [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Výfukové potrubí, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Směšovač, 8 - Hadice LPG, 9 - CU potrubí.

Obr. 5 Směšovač u palivových systémů se vstřikováním benzínu [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Směšovač, 8 - Hadice LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka, 14 - Krokový motorek.

17

3.1.4

Koncepce řízení směsi

Zážehový motor na LPG lze z hlediska dnešních požadavků na výkonové a emisní parametry seřídit dvěma způsoby: 1. Koncepce se spalováním stechiometrické směsi (součinitel přebytku vzduchu λ = 1) ve všech provozních režimech (nutnost elektronického řízení bohatosti směsi). Takto lze postupovat při přestavbě původně benzínového motoru. Optimalizace palivového systému vyžaduje v každém případě profesionální kvalifikaci včetně náročného technického vybavení zkušebny. Karburátorové motory provozované podle této koncepce mají oproti provozu na benzín snížený výkon. Je to způsobeno objemem plynného paliva ve směsi, která je vytvářena v sacím systému motoru. Tento způsob snižuje hmotnostní naplnění válce. [2] 2. Koncepce se spalováním extrémně chudých směsí (součinitel přebytku vzduchu λ = 1,5 – 1,6). Tuto koncepci uplatňujeme zpravidla při přestavbě vznětového motoru na plynový zážehový motor. Tato koncepce vyžaduje náročný vývoj a vyřešení řady motorářských otázek. [2] 3.1.5

Regulace bohatosti směsi

Zážehový motor má tři následující možnosti regulace bohatosti směsi: 1. Škrtícím šroubem (vozidla s karburátorem), pro správnou funkčnost a plnění emisních limitů je třeba nastavit optimální polohu. Tato poloha je nastavená pro volnoběžné otáčky i pro zátěž motoru a není ji možné během jízdy měnit. [15] 2. Servomotorem

ovládaným

samostatnou

řídící

jednotkou

(vozidla

se vstřikováním benzínového paliva). Pro správnou regulaci bohatosti směsi je nutno zajistit správnou funkčnost samostatné řídící jednotky LPG. Ta využívá k vyhodnocování a řízení stávající signály motoru RPM, TPS, MAP senzor, lambda sondu a další. [15] 3. Elektrickými vstřikovači ovládanými samostatnou řídící jednotkou (vozidla se vstřikováním benzínového i plynného paliva). V případě paralelních systémů platí totéž jako u vozidel se servomotorem, v případě sériových systémů je třeba zajistit 100% správnou funkčnost benzínové řídící jednotky. [15]

18

3.1.6

Vstřikování plynu (plynná fáze)

Stejně

jako

byly

karburátorové

motory

nahrazeny

moderními

motory

s vstřikováním benzínu i palivové systémy na LPG doznaly změn. Vstřikování benzínu bylo pro automobilové motory vyvinuto na základě požadavků snížení zátěže životního prostředí emisemi výfukových plynů při současném zvýšení výkonu motoru s optimálním využitím paliva, tedy snížením spotřeby. Vozidla mající ve své výbavě systém vstřikování benzínu (jsou tedy vybavena elektronickými snímači, akčními členy a řídicími jednotkami) mohou tento systém doplněný několika dalšími komponenty výhodně využít pro vstřikování plynu. Plynné palivo je tedy v přesně daném množství a čase vstřikováno do sacího potrubí motoru, jak je znázorněno na obr. 6. [6]

Obr. 6 Komponenty systému pro vstřikování plynné fáze LPG [6] 1 – Provozní elektromagnetický ventil LPG, 2 – Reduktor GENIUS se snímačem teploty LPG, 3 – Těleso škrticí klapky, 4 – Potrubí, 5 – Dávkovač rozdělovač SMART, 6-7-8 – Snímače tlaku, 9 – Snímač otáček, 10 – Vstřikovací tryska, 11 – Lambda sonda, 12 – Sací potrubí.

Výhody: •

zvyšuje výkon při provozu na LPG díky zlepšení plnění válců,

•

nemá žádné znevýhodnění při provozu na benzín,

•

odpadá potřeba různých směšovačů pro různé typy automobilů,

•

přívod vzduchu se neupravuje, nepřemisťuje, nemění se trubice určené k odsávání olejových par či benzínu,

•

dodatečně montované elektrické měřiče spotřeby fungují beze změny, 19

•

podstatným

přínosem,

proti

směšovači

(u

motorů

se

vstřikováním)

je, že v sacím potrubí není plyn. Snižuje se tak riziko tzv. „zpětného střílení“. Z hlediska dobré funkce a chodu motoru při použití pohonu na benzín nabízí systém vstřikování důležité výhody: •

všechny funkce řídicí jednotky pro pohon benzínem zůstávají stejné i při použití pohonu na LPG,

•

není třeba odpojovat žádné funkce, kromě odpojení benzínu při pohonu na LPG.

O systému vstřikování je tedy možné říci, že zlepšuje výkon motoru a svým řešením umožňuje přestavbu vozidel na alternativní pohon i v těch případech, kdy přestavba na systém se směšovačem byla obtížně montovatelná nebo funkčně nevýhodná. Možná řešení jsou znázorněna na obr. 7 a 8. Např. firma AGC dodává kompletní soupravy pro přestavbu vozidel. Každá souprava se skládá ze sady základní (společná pro všechny vozidla) a sady speciální (obsahuje díly a součástky na konkrétní typ vozu). Přestavba se uskutečňuje přesně podle schválené technické dokumentace výrobce. Montážní technologie je u různých typů pochopitelně odlišná. Firma BRC dodává svým servisním střediskům i soupravu specifických speciálních nástrojů pro správnou technologii montáže. [6]

Obr. 7 Vstřikováním plynného paliva - paralelní systém (auta bez systémů palubní diagnostiky EOBD a OBD II. tj. do roku výroby 2001) [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Hadice LPG, 8 - Vstřikovač LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídicí jednotka.

20

Obr. 8 Vstřikováním plynného paliva - sériový systém (auta se systémy palubní diagnostiky EOBD a OBD II.) [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Hadice LPG, 8 - Vstřikovač LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11- Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka.

3.1.6.1 Struktura zařízení Flying injection Tlaková nádrž na LPG a další zařízení až před reduktor jsou u systému vstřikování paliva zcela shodné s provedením se směšovačem. Vlastní systém začíná až reduktorem typu Genius. Pro pohon na LPG má reduktor pouze jeden stupeň.

Z reduktoru

se přivádí plyn do dávkovače – rozdělovače Smart obr. 6. Do dávkovače jsou zapojeny snímače absolutního a diferenčního tlaku. Celá soustava je řízena elektronickou řídicí jednotkou Fly Gas. V ní se soustřeďují všechny informace dodávané snímači, řídicí jednotka je zpracovává a podle zadaného programu a ovládáním elektromagnetických ventilů prostřednictvím dávkovače řídí ve spolupráci s řídicí jednotkou motoru dávku plynného paliva. Řídicí jednotka reaguje i na podněty příslušenství motoru. [6] 3.1.6.2 Princip funkce I když je zapojen pohon plynem, je to stále řídicí jednotka motoru, která určuje množství pohonné hmoty vstříknuté do motoru. Základní výhodou vstřikování je možnost řídicí jednotky motoru být stále funkční a řídit dávkování plynu stejnými funkcemi, tj. stechiometrií, obohacením směsi při plném zatížení, omezení maximálních otáček, řízení odvětrávání benzínových par, komunikace s řídící jednotkou klimatizace atd., podle výrobcem vozu daných kritérií. Systém pohonu plynu je vybaven vlastní diagnostikou, pro specifické funkce. 21

Řídicí jednotka plynového pohonu je připojena k řídicí jednotce motoru v oblasti, která řídí otevírání vstřikovacích ventilů. Toto propojení umožňuje, aby podle času vstřikování a signálu o počtu otáček motoru byl signál pro množství vstřikovaného benzínu přepočítán v řídicí jednotce vstřikování plynu na množství plynu a vstřik uskutečněn prostřednictvím dávkovače. Je nutné zdůraznit, že čas

vstřikování

je přesná hodnota vycházející

ze simulovaného zpracování výpočtů uskutečněných řídicí jednotkou motoru na základě souboru hodnot ze snímačů o skutečném jízdním režimu motoru. Vzhledem k tomu, že teplotní a tlakové podmínky plynu se mění v závislosti na čase, používá systém snímač teploty umístěný na vývodu reduktoru a odpovídajících snímačů absolutního a diferenčního tlaku umístěných v tělese dávkovače. Řídicí jednotka plynu se tak může přizpůsobit včas vlastní korekci, a tím správně reagovat na změny momentálních podmínek. [6] 3.1.6.3 Jednotlivé součásti systému Flying injection 3.1.6.3.1 Reduktor Pro použití na plyn je reduktor jednostupňový s výstupním tlakem 100 kPa (1 bar). Tlak na výstupu je kontrolován mechanicky. Na povrch membrány působí tlak plynu a vytváří prostor, který je hadicí propojen se sacím potrubím. Tím je dosaženo toho, že tlak nad membránou není konstantní, ale mění se s měnícím se tlakem v sacím potrubí. Na výstupu z reduktoru je snímač teploty, který předává informace pro řízení průtoku řídicí jednotce. Také přepínaní provozu na benzín nebo na plyn je podmíněno teplotou, protože při nízké teplotě není v reduktoru zaručeno potřebné odpaření. 3.1.6.3.2 Dávkovač - rozdělovač V hlavní části dávkovače je hliníková hlava s hrdlem přívodu plynu a přípojkou ke snímači tlaku. Uvnitř dávkovače je magnetický čistič, který zabraňuje případným kovovým nečistotám nasání do elektroventilů a jejich poškození. Dávkovač je

ve

spodní

části

vybaven

hliníkovým

dílem

sání,

přijímajícím

plyn

z elektromagnetických ventilů a rozdělující jej do jednotlivých válců. Dávkovač Smart má 7 elektromagnetických ventilů pracujících v režimu PCM (otevřen nebo uzavřen) a 2 elektromagnetické ventily s funkcí PWM kmitají frekvencí 25 – 50 Hz a během jednoho cyklu můžou zůstat déle otevřeny nebo uzavřeny (podle potřeby). Touto činností dosáhneme přesné a rychlé regulace. 22

3.1.6.3.3 Snímač tlaku Slouží ke snímání absolutního tlaku v dávkovači a vytvoření signálu pro řídicí jednotku. 3.1.6.3.4 Snímač diferenčního tlaku Snímač tlaku v sacím potrubí nutný ke kompenzaci dávky paliva. Montuje se pouze v případě, že není součástí benzínového palivového systému. 3.1.6.3.5 Řídicí jednotka FLY GAS Je osazen mikroprocesorem Motorola 32 bitů. Řídicí jednotka je programovatelná a je tedy možné ji použít na jiném vozidle. V kabeláži řídicí jednotky je konektor s 56 piny, tedy koncepce používaná většinou evropských automobilek. 3.1.6.3.6 Elektromagnetický ventil Je povrchově zinkován a vybaven filtrací železných nečistot. [6] 3.1.7

Vstřikování plynu (kapalná fáze)

Systém technologie pohonu Vialle Lpi je "vícebodové vstřikovaní kapalného LPG" nebo zkráceně LPi. Automobily s LPi se mohou srovnávat s benzínovými vozidly v řídicích postupech a emisích výfukových plynů. Problém zpětných zášlehů je také odstraněn. Vialle je jediným výrobcem LPG systému se vstřikováním kapalné fáze. [19]

Obr. 9 Vstřikování kapalné fáze LPG [15] 1- Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku s rozvodným blokem, 6 - Tlakové potrubí, včetně zpětného, 7 - Tlakové potrubí, včetně zpětného, 8 - Čerpadlo v nádrži, 9 - Vstřikovač LPG, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka.

23

3.1.7.1 Způsob funkce systému Zkapalněný plyn pro pohon automobilů (LPG), je pod tlakem přiváděn přímo před sací ventily jednotlivých válců. Vstřikované množství plynu řídí řídicí jednotka a zajišťuje příznivé spalování v motoru s nízkým obsahem škodlivin. Zařízení Lpi v co největší míře využívá řídicí jednotku motoru. Snímá tedy dobu vstřiku, a té přiřazuje dobu vstřiku LPG. Pro výpočet korekcí bohatosti směsi, zatížení a předstihu jsou brány údaje z benzínové jednotky motoru. Aby mohlo zařízení LPi pracovat korektně musí vstřikovat kapalinu. Vzhledem k tomu, že za normálních podmínek by docházelo v oblastech motoru ke zplyňování, je v nádrži umístěné čerpadlo viz. obr. 9, které zajišťuje potřebné zvýšení tlaku a cirkulaci LPG. Od čerpadla do motorového prostoru vedou vysokotlaké hadice. Tyto vysokotlaké hadice lépe izolují protékající palivo od okolních zdrojů tepla. Jsou dostatečně pevné, aby vydržely tlak do 3 MPa. Mezi nádrží a vstřikovacími ventily je rozvodný blok, jehož součástí je regulátor tlaku, snímač tlaku a uzavírací ventil. Rozvodný blok udržuje tlak a v případě potřeby uzavírá LPG vedení. Od rozvodného bloku je LPG vedeno ke vstřikovacím ventilům LPG a nespotřebovaná část se přes rozvodný blok zpětným vedením vrací do nádrže. [19] 3.1.7.2 Přednosti technologie LPi- v porovnání s plynnou fází vstřiku Vstřikovací ventily LPG SIEMENS, s výjimkou vinutí cívky, jsou shodné jako benzínové, dodávané například pro ŠKODA AUTO a.s. Při použití vstřiku plynné fáze LPG je sice nižší cena, ale je nutné přibližně po 30-60 tis. km vyměnit jádra nebo celé vstřikovací ventily vstřikovače. U plynné fáze jde o největší procento poruch. U Vialle se běžně vyskytují vozidla, která najela 300 000 km na původní vstřikovače bez čištění. Ventil redukující tlak paliva je také z produkce pro benzínové motory. U reduktorů plynné fáze je třeba po 60 000 - 100 000 km vyměnit všechny gumové součástky. Také potrubí, kterým je LPG vedeno, jsou vysokotlaké hadice s vinylovou vložkou prakticky odolnou proti všem možným nečistotám v LPG. Měděné potrubí u levnějších systémů snadno naruší sloučeniny síry, které se mohou dostat do LPG. Další výhodou zařízení je brzké přepnutí na LPG. Vstřikování plynné fáze musí mít pro přepnutí chladicí kapalinu teplou cca 34 – 40 °C, to v zimním období představuje ujetí přibližně 7 km nebo 15 minutového provozu na benzín. Výhodou je i dlouhý servisní interval cca 75 000 – 100 000 km. [19] 24

3.2 Zemní plyn (CNG - Compressed natural gas, LNG - Liquefied natural gas) Zemní plyn sestává asi z 85 % metanu (CH4 – jednoduchý uhlovodík bez barvy a zápachu, hořlavý, se vzduchem vybuchující plyn, vyskytující se často v přírodě, i jako bahenní či důlní plyn), z 10 % dusíku a oxidu uhličitého a z 5 % vyšších uhlovodíků. Těží se jak z ložisek na pevnině, tak i z ložisek pod mořským dnem. Pod zkratkou CNG se rozumí stlačený zemní plyn. V zásobníku vozidla bývá stlačen až na 20 MPa (200 bar). Zkratkou LNG se označuje zemní plyn zkapalněný. K dosažení kapalného stavu je potřeba teplota -162 °C. Zkapalněním se původní, výchozí objem zemního plynu zmenší zhruba šestsetkrát. V České republice se zemní plyn, jako pohonná hmota, začal uplatňovat již od roku 1981, kdy byla provedena první přestavba vozidla na zemní plyn. Počátkem 90. let patřila Česká republika v plynofikaci dopravy na přední místa ve světě. Dobře se rozbíhající program plynofikace dopravy se ale zpomalil. Počátkem 21. století zájem o zemní plyn opět roste a zemní plyn dnes patří mezi perspektivní alternativní pohonné hmoty, u kterých se počítá s rozvojem, jak dokladuje tab. 3. [2, 3, 5, 13, 16] V současné době v České republice zemní plyn jako pohonnou hmotu využívá cca 1.800 vozidel, z toho: •

1.500 osobních a dodávkových automobilů,

•

270 autobusů,

•

20 komunálních vozidel (převážně svoz odpadu a čištění ulic),

•

40 ostatních (vysokozdvižné vozíky, rolby ledu).

V ČR je 30 plnících stanic na CNG, roční prodej CNG v roce 2010 přesáhl 8,1 milionů m3 a průměrná cena CNG je přibližně 22 - 25 Kč/kg. Počet dovozců CNG osobních a dodávkových vozidel, autobusů a nákladních vozidel je 7 (Mercedes, Volkswagen, Opel, Fiat, Iveco, Ford, Renault) [16] Tab. 3 Scénáře rozvoje alternativních paliv dle Evropské komise uvedené v Bílé knize dopravní politiky (COM/2001/370)

Druh paliva 2005 2010 2015 2020 2 5 10 zemní plyn % % 2 6 7 8 biopaliva % 2 5 vodík celkem

%

2 25

8

14

23

3.2.1

Výhody

Zemní plyn má velký potenciál pro využití jako motorové palivo. Je levný, má vysoké oktanové číslo, jedná se o čisté palivo, které nemá problémy se současnými i budoucími emisními limity. Zemní plyn může být užíván jako motorové palivo v klasických spalovacích motorech, benzínových nebo přímo plynových. Pro využívání zemního plynu ve vozidlech je zapotřebí speciální zásobník plynu a vstřikovací systém. Zemní plyn lze využívat jednak ve formě stlačeného plynu na tlak 20 MPa (200 barů), tak i ve zkapalněné formě (při teplotě -162°C). „Vysokotlaká“ verze je v současnosti preferovanější variantou. Technologie zemního plynu je plně vyvinutá a v dlouholeté praxi vyzkoušená. Ve světě jezdí na zemní plyn více než 3 miliony vozidel v 60 zemích. Kromě možnosti přestavovat existující benzínová vozidla stále více automobilek nabízí přímo vozidla s pohonem na zemní plyn viz. obr. 15. Delší životnost zásob zemního plynu oproti ropě a rovnoměrnější rozložení nalezišť zemního plynu ve světě, je velmi významnou skutečností pro budoucí rozvoj využití zemního plynu v dopravě. Jednoduchá distribuce zemního plynu je dána přepravou již vybudovanými plynovody, jejich používáním se snižuje počet nákladních cisteren s kapalnými pohonnými hmotami na silnicích. Zemní plyn je perspektivnější oproti produktům ropy (benzínu, naftě, propan - butanu) vzhledem k jeho větším zásobám a úspoře emisí CO2, jak vyplývá z obr. 10. [16]

Obr. 10 Potenciál snížení produkce CO2 podle druhu hnacího ústrojí [20]

26

3.2.1.1 Ekonomie a ekologie Náklady na pohonné hmoty jsou nižší, než u fosilních paliv. Ekologické výhody zemního plynu v dopravě jsou jednoznačné, vyplývají z jeho složení, především poměru atomů uhlíku a vodíku v molekule. Vozidla na zemní plyn produkují výrazně méně škodlivin než vozidla s klasickým pohonem, jak je patrné z obr. 11 a 12. A to nejen dnes sledovaných škodlivin – oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, pevných částic, ale také i karcinogenních látek – polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, aromátů včetně benzenu. Rovněž vliv na skleníkový efekt je u vozidel na zemní plyn menší v porovnání s benzínem či naftou. Zkušenosti z praktického použití vozidel s pohonem na zemní plyn ukázaly, že provoz těchto vozidel se vyznačuje především následujícími výhodami: •

výrazné snížení emisí pevných částic, které jsou u naftových motorů považovány z důvodu mutagenních a karcinogenních účinků za nejzávažnější,

•

kouřivost vznětových motorů je u plynových pohonů prakticky eliminována,

•

snížení dalších složek emisí – oxidů dusíku NOx a emisí oxidu uhelnatého CO,

•

snížení emisí oxidu uhličitého (skleníkového plynu),

•

výrazné snížení nemetanových, aromatických a polyaromatických uhlovodíků, aldehydů,

•

snížení tvorby ozónu v atmosféře nad zemí, který způsobuje tzv. „letní smog“,

•

spaliny z motorů na zemní plyn neobsahují oxid siřičitý (SO2),

•

do zemního plynu se nepřidávají aditiva a karcinogenní přísady,

•

plynové motory mají tišší chod, úroveň hluku plynových autobusů oproti naftovým, je výrazně nižší. [16]

Obr. 11 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a naftu (100 %) [16]

27

Obr. 12 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a benzín (100 %) [16]

3.2.1.2 Provoz U dvoupalivových systémů zůstává zachována možnost užívání benzínu. Zvýšení celkového dojezdu u dvoupalivových systémů (u zemního plynu o cca 200–250 km). Díky čistotě paliva se prodlužuje životnost motorového oleje i samotného motoru, nevytvářejí se karbonové usazeniny. Lepší směšování plynu se vzduchem podporuje homogenitu palivové směsi, rovnoměrnější plnění válců, menší zatěžování motoru. Vysoká antidetonační schopnost – vysoké oktanové číslo zemního plynu umožňuje motoru pracovat i v oblasti výrazného ochuzení palivové směsi. [16] 3.2.1.3 Bezpečnost Zemní plyn je oproti benzínu, naftě a LPG lehčí než vzduch. Tlakové nádrže vyrobené z oceli, hliníku nebo kompozitních materiálů jsou bezpečnější, než nádrže benzínové. [16] 3.2.2

Nevýhody

Nedostatečná infrastruktura - každé alternativní palivo, které se snaží konkurovat tradičním pohonným hmotám, trpí neexistencí dostatečné infrastruktury potřebné k rozšíření jeho užití. Problém je menší počet plnících stanic, jak je patrné z obr. 13. Vyšší náklady na vozidlo (přestavby vozidel na plyn zvyšují cenu vozidla), dále na plnící stanice. Vzhledem k doposud malému rozšíření, a tudíž malosériové výrobě plynových vozidel, jsou náklady vyšší. Lze očekávat, že náklady klesnou s širším využíváním zemního plynu v dopravě. [16]

28

Obr. 13 Plnící stanice CNG v ČR [16]

3.2.2.1 Zhoršení stávajícího komfortu Nutnost pravidelných kontrol plynových zástaveb. Zmenšení zavazadlového prostoru nebo užitného prostoru o prostor, který zabírá tlaková nádrž. Toto je možno řešit umístěním tlakové nádrže na střechu (autobusy), pod vozidlo (osobní, nákladní automobily) nebo do jiných prostor (např. místo náhradního kola). [16] 3.2.2.2 Provozní nevýhody Zvýšení celkové hmotnosti automobilu, a tím snížení povolené hmotnosti, užitečné v důsledku instalace tlakové nádrže na plyn. Možným řešením této komplikace je užití tlakových lahví z kompozitních materiálů, které jsou lehčí než tradiční ocelové. •

Zpřísněná bezpečnostní opatření (garážování, opravy).

•

Snížení výkonu motoru u přestavovaných vozidel.

•

Menší dojezd CNG vozidel oproti klasickým palivům. [16]

3.2.3

Základní komponenty CNG vozidla

Dříve byla směs zemního plynu se vzduchem vytvářena ve směšovači, dnes ji již prakticky plně nahradily systémy se vstřikováním plynu. Podstatně kvalitnější přípravu směsi přináší právě její vstřikování do jednotlivých sacích potrubí motoru pomocí vstřikovacích ventilů. [16] 29

3.2.3.1 Plnící ventil Slouží k plnění tlakové nádoby vozidla zemním plynem na CNG plnících stanicích. Plnící ventil může být umístěn v motorovém prostoru u čerpacího otvoru klasických paliv nebo samostatně. V praxi jsou používány 2 typy plnění – tzv. „italský“ systém (používán hlavně v Itálii) a systém NGV 1 (používán v ostatních evropských zemích). 3.2.3.2 Tlakové nádoby + multiventil Palivová nádrž zemního plynu má zpravidla objem 70-100 l, je osazena armaturami pro bezpečný a spolehlivý provoz – multiventilem. Ten má jak funkce provozní: uzavírá tlakovou nádobu při vypnutém zapalování, řídí odebírání plynu z nádoby, tak bezpečnostní: v případě poruchy potrubí automaticky přeruší průtok plynu, vypustí plyn při daném přetlaku, tepelná pojistka odpustí zemní plyn v případě požáru. Tlakové nádoby jsou většinou ocelové, na trh však stále více začínají pronikat odlehčené tlakové nádoby z lehkých hliníkových nebo kompozitních materiálů. U přestavovaných osobních automobilů bývají CNG tlakové nádoby většinou umístěny v zavazadlovém prostoru vozidla, u sériově vyráběných automobilů pod vozidlem nebo v jiných vhodných prostorech. 3.2.3.3 Propojovací vysokotlaké plynové potrubí Při plnění se přivádí zemní plyn z plnícího ventilu do tlakové nádoby, při plynovém provozu se přivádí zemní plyn z tlakové nádoby do regulátoru. 3.2.3.4 Regulátor tlaku plynu Slouží k redukci vysokého tlaku plynu na požadovanou hodnotu. Jeho součástí je rovněž uzavírací ventil. Regulátor z obr. 14 je umístěn v motorovém prostoru, a je napojen na vnitřní chladicí okruh motoru, z něhož odebírá teplo.

Obr. 14 Regulátor tlaku paliva [16]

30

3.2.3.5 Elektronické vstřikovače (vozidla s vstřikováním plynu) Zařízení, které řídí vstřikování plynu do sacího potrubí jednotlivých válců. Pracuje sekvenčně, tzn., vstřikuje zemní plyn pro každý válec zvlášť. 3.2.3.6 Palivová lišta (vozidla s vstřikováním plynu) Je součástí vstřikovačů a přivádí zemní plyn od regulátoru tlaku k jednotlivým vstřikovačům. 3.2.3.7 Krokový motorek (vozidla s centrálním směšováním plynu) Na základě signálů z řídicí jednotky průběžně upravuje množství plynu, které proudí do směšovače v optimálním režimu výkonu, spotřeby paliva a množství emisí. 3.2.3.8 Směšovač (vozidla s centrálním směšováním plynu) Slouží ke smísení paliva – zemního plynu se vzduchem a vytvoření zápalné plynné směsi. Má stejnou funkci jako karburátor nebo jednobodové vstřikování benzínu. 3.2.3.9 Elektronická řídící jednotka Slouží k správnému provozu vozidla na zemní plyn, spolupracuje s benzínovou řídicí jednotkou a řídí dávkování plynu dle aktuálního jízdního režimu. 3.2.3.10 Přepínač plyn - benzín včetně ukazatele množství paliva Je umístěn na dobře viditelném místě na přístrojové desce, u sériových vozidel je její součástí. 3.2.3.11 Katalyzátor s lambda sondou Lambda sonda analyzuje složení výfukových plynů, na základě jejich údajů elektronická jednotka řídí dávkování plynu.

Obr. 15 Schéma zástavby osobního automobilu na stlačený zemní plyn [16]

31

4 BIOPALIVA A ALKOHOLY Biopalivo je kapalné nebo plynné palivo pro dopravní prostředky vyrobené z biomasy. Biomasa je nositelem obnovitelných zdrojů energie vznikajících fotosyntézou. Při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře, protože nově rostoucí rostliny jej znovu zabudují do svých tkání. Problém je ovšem v jejich výrobě, která je energeticky náročná a při bližším pohledu lze zjistit, že některá biopaliva přinášejí pouze mírnou úsporu v produkci CO2 (biopaliva I. generace). Do budoucna je nutné se zaměřit na technologie výroby biopaliv II. generace, které přinášejí větší úsporu v produkci emisí CO2. [1, 5, 17]

4.1 Bioplyn Bioplyn je získáván metanogením kvašením organických látek a je tvořen směsí plynu: 55 - 75 % metan, 25 - 40 % oxid uhličitý a 1 - 3 % dalších plynů (vodík, dusík, sirovodík). Používá se ve většině případů pro pohon stabilních motorů, využívaných pro výrobu elektrické energie s plným využitím odpadního tepla (kogenerační jednotky). Bioplyn je nutné pro potřeby motorových vozidel zbavit přebytku nežádoucích příměsí, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku tak, aby odpovídal požadavkům na zemní plyn (obsah metanu nad 95%). Tento proces je finančně nákladný, a tak klesá jeho perspektiva pro spalovací motory běžných vozidel. Z tohoto důvodu nebude v této práci Bioplynu věnována větší pozornost. [2, 5]

4.2 Bionafta Možnost využití řepkového oleje pro pohon vznětových motorů je zkoumána již řadu let. Použití neupravených rostlinných olejů vyžaduje konstrukční úpravy vznětových motorů a právě tato skutečnost se stala základem většího rozvoje druhé možnosti řešení. Řešení je založeno na použití chemicky vhodně upraveného paliva na bázi rostlinných olejů v konstrukčně nezměněných vznětových motorech. Úprava fyzikálně - chemických vlastností spočívá v přeměně vhodného rostlinného oleje na metylester mastných kyselin obsažených v oleji. Smyslem chemické přeměny na metylestery je přiblížit výsledné vlastnosti tohoto paliva parametrům klasické motorové nafty. Vhodným rostlinným olejem je olej řepkový. Použití čistého rostlinného oleje v motorech ale přináší více problémů, a proto se tento olej upravuje 32

esterifikací na metylester (MEŘO), v zahraničí se používá termín (RME – Repaseed Methyl Ester). MEŘO je produkt vznikající při reakci řepkového oleje s metanolem, tedy bionafta. Čisté MEŘO brané jako bionafta I. Generace se v České republice nepoužívá. Bionafta II. Generace, která je na trhu, je směsná motorová nafta, kde je podíl MEŘO asi 31%, zbytek pak tvoří klasická motorová nafta. [1, 3, 5] Pozn.: Novelou zákona o ochraně ovzduší je od června 2010 navýšen podíl biosložky‚ v klasické motorové naftě z původních 4,5% na rovných 6 %. [ČTK]

4.3 Bio – (etanol, metanol) Použití alkoholů u zážehových motorů nevyžaduje výraznější úpravy. Vzhledem k menší výhřevnosti alkoholu je nutno zvětšit dodávku paliva do motoru tak, aby odpovídala směšovacímu poměru. Současně je nutno provést úpravy pro omezení korozních vlivů na díly palivového systému a motoru. Alkoholy mají obsah škodlivin nižší, než u motorů benzínových. U motorů vznětových je při použití alkoholu nutno přestavět tyto motory na zážehové nebo provést takovou úprava paliva, aby provozu vznětového motoru vyhovovala. V současné době lze bioetanol využít v souladu s ČSN EN 228 a přidávat do benzínu 5 obj. % a tuto směs spalovat v běžných zážehových motorech, dále jej lze používat ve speciálně upravených motorech v podobě vysokoprocentních směsí E85 (85 % bioetanolu, 15 % benzínu). Tzv. Flexi-fuel vozidla (FFV) umožňují uživateli míchat benzín s biopalivy na vysokoprocentní směsi v libovolném poměru. Další možné využití bioetanolu je ve směsi E95 (95 % bioetanolu, 5 % aditiv) používané pro pohon dieselových motorů. Etanol má vysoké oktanové číslo (107) a jeho použití v zážehových motorech nepředstavuje velký problém. Hlavní úprava spočívá ve zvětšení dávky paliva z důvodu jeho nízké výhřevnosti. Vozidlo je pak možné provozovat na libovolnou směs benzínu a E85. Na druhou stranu má etanol nízké cetanové číslo (8) a jeho použití ve vznětových motorech vyžaduje úpravu motoru. Pro vznícení etanolu je nutné zvýšit kompresní poměr na hodnotu 23, případně více, a zvýšit dávku paliva. Další úprava spočívá v aditivaci etanolu o složky podporující vznícení paliva. Vozidlo spalující E95 už není možné provozovat na motorovou naftu. [1, 5, 18] 33

5 VODÍK Vodík je předmětem současného intenzivního výzkumu jako potenciální palivo pro motorová vozidla. Z hlediska dlouhodobé perspektivy se vodík jeví jako jediná možná náhrada uhlovodíkových paliv pro pístové spalovací motory. Je zřejmé, že potenciální výhody vodíku jako motorového paliva, budou dosaženy po dalším úspěšném technologickém vývoji zásobníků vodíku a technologii palivových článků a po nákladných investicích do výroby vodíku a jeho distribuce. [1, 5]

5.1 Spalování vodíku v klasických motorech Stlačený nebo zkapalněný vodík se spaluje obdobně jako běžné pohonné hmoty. Z hlediska spalování vodíku v pístových motorech je velkou výhodou možnost spalování velmi chudých směsí, což se projeví výrazným snížením spotřeby paliva při částečných

zatíženích

motoru.

Ve

výfukových

plynech

vodíkového

motoru

se ze škodlivin nachází pouze NOx, které je možno potlačit recirkulací spalin nebo neutralizovat vhodným katalytickým systémem. Tento způsob má však v současné době podstatné nevýhody: výroba vodíku je drahá, vodík je ve směsi se vzduchem silně výbušný, komplikované skladování a tankovaní vzhledem k velikosti molekul vodíku. Palivový systém motoru je přizpůsoben pomocí elektronického směšovacího systému, který určuje směšovací poměr vodíku a vzduchu. Spalování probíhá s přebytkem vzduchu.

5.2 Palivový článek Využívá akumulátor pro zásobování palubní sítě el. energií. Pohonnou jednotkou vozidla je elektromotor a elektřina pro něj je, na rozdíl od elektromobilů poháněných akumulátory, vyráběna přímo ve vozidle v palivových článcích. Palivový článek přebírá funkci akumulátoru, je v neustálém provozu a dosahuje výkonu 5 kW, při účinnosti cca 50 – 60%. Nevýhoda automobilu využívající palivové články je, kromě ceny palivových článku, potřeba akumulátoru elektrické energie. Akumulátory elektrické energie zvyšují cenu pohonné jednotky a snižují její účinnost.

34

6 VLASTNÍ PRÁCE 6.1 Cíl vlastní diplomové práce Cílem práce bylo provést měření vozidla s dvoupalivovým zážehovým motorem. Vybrat vhodnou metodiku a zařízení pro vlastní měření. Z naměřených hodnot provést vyhodnocení rozdílů mezi provozem na plynné palivo propan – butan (LPG) a na palivo kapalné benzín (Natural 95). Z výsledků měření sestavit jednotlivé emisní a výkonové charakteristiky. Dále popsat průběhy jednotlivých charakteristik s důrazem kladeným na uplatnění poznatků a dopadů na reálný provoz vozidla.

35

7 MĚŘENÉ VOZIDLO Pro měření na válcovém dynamometru byl použit osobní automobil Škoda Felicia 1.3 MPI data první registrace 2000 a registrační značky BZN 9270. Základní identifikační a technické údaje o měřeném vozidle jsou v tab. 4. Tab. 4 Popis měřeného vozidla [10, 11, 12]

Vozidlo

Druh vozidla

OSOBNÍ AUTOMOBIL

Typ karoserie

HATCHBACK

Kategorie vozidla

M1

Tovární značka

ŠKODA

Obchodní označení

FELICIA

Varianta

LXI

Identifikační číslo vozidla (VIN)

TMBEFF613Y7294039

Výrobce

ŠKODA a.s., MLADÁ BOLESLAV, ČR

Typ

781.136 M

Počet válců / uspořádání 3

Motor

Převodové ustrojí

4/řadový

Zdvihový objem [cm ]

1289

Vrtání / Zdvih [mm]

75,5/72

Výkon [kW] / [ot/min]

50/5000

Točivý moment [Nm] / [ot/min]

106/2600

Kompresní poměr

10:1

Pořadí zapalování

1-3-4-2

Palivo

BA 95 B + PB

Příprava směsi

SIMOS 2P

Zapalování

BEZKONTAKTNÍ

Převodový poměr 1. R.S.

3,462

Převodový poměr 2. R.S.

1,957

Převodový poměr 3. R.S.

1,31

Převodový poměr 4. R.S.

0,975

Převodový poměr 5. R.S.

0,756

Zpětný chod

2,923

Stálý převod

4,118

7.1 Palivový systém zkoušeného vozidla (LPG) V případě měřeného vozidla Škoda Felicia 1.3 MPI je použit poměrně jednoduchý systém s označením NG – 06. Tento systém je řízen řídicí jednotkou TEC 99 (Tartarini electronic control). Motor tohoto vozidla je vybaven systémem vícebodového nepřímého vstřikování benzínu (SIMOS 2P) řízeného řídicí jednotkou motoru a řízeným 36

trojcestným katalyzátorem, čímž roste složitost použitého palivového LPG systému oproti karburátorovému motoru. Bohatost směsi je v tomto případě regulována krokovým motorkem, který je řízen elektronickou řídicí jednotkou. 7.1.1

Jednotlivé komponenty LPG systému na měřeném vozidle

Na obr. 16 je pro přehlednost znázorněno možné umístění jednotlivých komponent palivového systému na LPG u konkrétního vozidla. [24, 25]

Obr. 16 Orientační umístění komponent LPG na měřeném vozidle Škoda Felicia [25] 1 – Reduktor, 2 – Uzavírací ventil LPG, 3 – Tlaková nádrž, 4 – Řídicí jednotka LPG, 5 – El. regulační prvek, 6 – Plynotěsná schránka a víceúčelový ventil, 7 – Přípojka dálkového plnění, 8 – Směšovač, 9 – Přepínač paliva, 10 – Potrubí, 11 – Držák nádrže.

7.1.1.1 Reduktor (Regulátor tlaku / Vypařovač) Je zařízení, které umožňuje snížení tlaku LPG paliva na požadovanou hodnotu a zároveň odpaření kapalného paliva. Tento proces je provázen snížením teploty, proto je regulátor tlaku/vypařovač napojen na vnitřní chladicí okruh motoru, z něhož odebírá teplo. Vlastní provoz regulátoru tlaku je závislý na chodu motoru, resp. na podtlaku ve směšovači. Jedná se o dvoustupňový regulátor tlaku a zplynovač. Kapalný propan butan proudí do prvního stupně, kde dochází ke změně skupenství z kapalného na plynné (zplynovací komora je předehřívána chladicí kapalinou motoru), a zároveň zde dochází k redukci tlaku na stabilní hodnotu. Plyn prochází do druhého stupně regulátoru přes ventil regulující množství protékajícího plynu. Tento ventil je ovládán pákou spojenou s membránou druhého stupně, která na základě podtlaku v difuzoru směšovače mění svou polohu, a tím zabezpečuje dávkování plynu dle potřeb motoru.

37

7.1.1.2 Uzavírací ventil LPG Je elektromagnetický ventil, který uzavírá resp. otevírá přívod kapalné fáze LPG paliva do regulátoru tlaku/vypařovače na základě pokynů el. managementu plynové soupravy. Další funkcí je filtrace kapalného plynu pomocí výměnné filtrační vložky. 7.1.1.3 Tlaková nádrž Popis tlakové nádrže je již uveden v kapitole 4.1.2 „Komponenty plynových palivových systémů“. Měřené vozidlo je vybaveno toroidní tlakovou nádrží, zobrazené na obr. 17.

Obr. 17 Toroidní tlaková nádrž [24]

7.1.1.4 Řídicí jednotka Řídí v závislosti na přijímaných signálech ze snímačů motoru bohatost směsi, el. regulačním prvkem v přívodu plynné fáze paliva do směšovače. 7.1.1.5 Krokový motorek – el. regulační prvek Je zařízení, které pomocí krokového motorku zmenšuje, či zvětšuje průřez pro průtok plynu. Je zařazen mezi regulátor tlaku a směšovač a na základě signálů z řídicí jednotky optimalizuje množství nasávaného plynu. 7.1.1.6 Plynotěsná schránka Zabezpečuje hermetické oddělení armatur od vnitřního prostoru vozidla a odvod LPG při případném úniku mimo prostor vozidla. 7.1.1.7 Přípojka dálkového plnění Popsáno již v kapitole 4.1.2 „Komponenty plynových palivových systémů“. 38

7.1.1.8 Směšovač Je zařízení sloužící k přípravě směsi plynného LPG se vzduchem. Skládá se z tělesa, které slouží k upevnění do sacího traktu, napojení přívodu plynu a difuzoru. V difuzoru vzniká při průchodu nasávaného vzduchu podtlak přímo úměrný jeho (množství), tento podtlak působí na membránu druhého stupně regulátoru tlaku, která zajišťuje dávkování plynu.

Obr. 18 Směšovač [24]

7.1.1.9 Přepínač paliva Slouží k přepínání provozu plyn – benzín a je umístěn v dosahu z místa řidiče. O momentální volbě paliva informují LED kontrolky, alternativně informují také o stavu paliva v tlakové nádrži. 7.1.1.10 Potrubí – Cu trubka Popsáno v kapitole 4.1.2 „Komponenty plynových palivových systémů“. 7.1.1.11 Držák nádrže Slouží k pevnému uchycení nádrže k vozidlu a zároveň může sloužit jako držák rezervy. 7.1.1.12 Víceúčelový ventil (multiventil) Popsáno v kapitole 4.1.2 „Komponenty plynových palivových systémů“. 7.1.1.13 Pojistky Zabezpečují ochranu elektrických částí v případě závady. 39

7.2 Palivový systém zkoušeného vozidla (Natural 95) V případě měřeného vozidla Škoda Felicia 1.3 MPI je použito, jak označení napovídá, palivového systému s vícebodovým nepřímým vstřikováním benzínu. U tohoto systému na obr. 19 je každému válci přiřazen jeden vstřikovací ventil, který vstřikuje paliva přímo před sací ventily jednotlivých válců motoru. [3, 7, 8] 7.2.1

Hlavní komponenty systému MPI na měřeném vozidle

Obr. 19 Přehled rozmístění jednotlivých součástí soustavy SIMOS 2P [10] 1 – Kombinovaný snímač teploty a tlaku nasávaného vzduchu, 2 – Pólová svorkovnice ovládání jednotky škrticí klapky, 3 – Jednotka ovládání škrticí klapky, 4 – Svorkovnice snímače klepání, 5 – Snímač klepání, 6 – Snímač otáček motoru, 7 – Svorkovnice snímače otáček, 8 – Lambda sonda, 9 – Nádobka s aktivním uhlím, 10 – Elektromagnetický ventil nádobky s aktivním uhlím, 11 – Řídicí jednotka SIMOS 2P, 12 – Svorkovnice Lambda sondy, 13 – Sdružený snímač teploty a ukazatele teploty chladicí kapaliny, 14 – Svorkovnice sdruženého snímače teploty chladicí kapaliny, 15 – Vstřikovací ventily, 16 – Zapalovací lišta, 17 – Zapalovací svíčka, 18 – Sací potrubí, 19 – Kryt, 20 – Hadice sání, 21 – Vzduchový filtr, 22 – Hadice sání teplého vzduchu, 23 – Ukostření motoru.

40

7.2.1.1 Palivová nádrž Je vyrobena z umělé hmoty a tvarována tak, aby co nejefektivněji využila volný prostor pro ni určený. Objem nádrže je 42 dm3. Nádrž je umístěna pod podlahou zadních sedadel. Pro motory 1.3 MPI a 1.6 MPI je konstrukčně shodná. Nevyčerpatelné množství z nádrže je cca 0,3 dm3. V palivové nádrži na obr. 20 je umístěno plovákové zařízení

společně

s dvoustupňovým

palivovým

čerpadlem.

Odpařené

palivo

je z hlediska čistoty odvzduší přiváděno do nádobky s aktivním uhlím, která je při chodu motoru regenerována.

Obr. 20 Palivová soustava SIMOS 2P a její komponenty [11] 1 – Uzávěr palivové nádrže, 2 – Rozpínací kroužek, 3 – Ukostření, 4 – Prachovka, 5 – Bezpečnostní ventil, 6 – O-kroužek, 7 – Plnící hrdlo, 8 – Uchycení, 9 – Převlečná matice, 11 – Vratné vedení, 12 – Těsnicí kroužek, 15 – El. palivové čerpadlo, 16 – Snímač ukazatele stavu paliva, 19 – Příchytka, 20 – Odvzdušňovací hadice, 21 – Spojovací hadice, 22 – Nádrž, 23 – Přívodní vedení k rozdělovači paliva, 24 – Čistič paliva, 25 – Gumová podložka, 26 – Uchyceni, 27 – Upevňovací pás, 28 – Průchodka, 29 – Vyrovnávací nádobka.

41

7.2.1.2 Palivové vedení Vede palivo z nádrže ke vstřikovacímu systému a zpět. Jsou použity bezešvé, elastické kovové hadice nebo hadice z těžko hořlavých látek. Jsou uspořádány tak, aby se zabránilo jejich tepelnému nebo mechanickému poškození. 7.2.1.3 Čistič paliva Zachycuje jemné nečistoty v palivu. Jeho životnost je omezena pro náš typ vozu na 60 000km. Při výměně je nutná správná montáž ve směru šipek vyznačených na filtru, což je patrné i z obr. 21.

Obr. 21 Palivový filtr Škoda Felicia [27]

7.2.1.4 Elektrické palivové čerpadlo Škoda Felicia 1.3 MPI je vybavena elektrickým dvoustupňovým palivovým čerpadlem uvedeném na obr. 22, které je umístěno v palivové nádrži. Palivo je jeho pomocí dopravováno přes jemný filtr paliva do rozdělovacího potrubí (palivové lišty).

Obr. 22 Elektrické dvoustupňové palivové čerpadlo [27]

7.2.1.5 Rozdělovací palivové potrubí Rozdělovač paliva obr. 23 je vyroben z oceli. Jeho úkolem je rovnoměrné rozdělení paliva k jednotlivým vstřikovacím ventilům a tedy válcům motoru. Na rozdělovacím palivovém potrubí je též umístěn regulátor tlaku paliva. 42

Obr. 23 Komponenty palivového systému SIMOS 2P – rozdělovací palivové potrubí [11] 1 – Rozdělovač paliva, 2 – O-kroužek, 3 – Vstřikovací ventil, 4 – Přídržná spona, 5 – Šroub přídržné spony, 6 – Podložka, 7 – Přídržná spona, 8 – Regulátor tlaku paliva.

7.2.1.6 Regulátor tlaku paliva Regulátor tlaku paliva obr. 24 udržuje konstantní rozdíl tlaku paliva v rozdělovacím palivovém potrubí proti tlaku v sacím potrubí motoru (za škrticí klapkou). Pro náš motor je daná diference 250 kPa (2,5 bar). Při překročení referenčního tlaku dochází odpuštění přebytečného paliva zpět do nádrže.

Obr. 24 Regulátor tlaku paliva a jeho umístění na rozdělovacím palivovém potrubí pozice 1[11]

43

7.2.1.7 Vstřikovací ventil V našem případě každému válci motoru přísluší právě jeden vstřikovací ventil, který je umístěn na konci sacího potrubí a vstřikuje palivo přímo na sací ventily motoru. Elektromagnetické ventily jsou ovládány řídicí jednotkou motoru. Doba otevření ventilu je závislá na aktuálních otáčkách a zatížení motoru. U motoru 1.3 MPI je použitý ventil označován jako ,,top – feed”, což znamená, že palivo proudí středem ventilu axiálně shora. Ventil je v horní části připojen do rozdělovacího palivového potrubí obr. 23, utěsněn těsnícím o-kroužkem a pojištěn sponou. Spodním těsnícím kroužkem je vsazen do sacího potrubí motoru. Skutečné provedení je patrné z obr. 25.

Obr. 25 Vstřikovací ventil [27]

44

8 ZAŘÍZENÍ A SYSTÉMY POUŽITÉ PŘI VLASTNÍM MĚŘENÍ 8.1 Emisní systémová analýza Bosch ESA obr. 26 (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je systém, jehož funkce lze rozšiřovat. Jako základ lze zvolit sestavy, které umožňují měření emisí zážehových (ESA 3.140), vznětových (ESA 3.110) nebo zážehových a vznětových motorů (ESA 3.250). Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva (pouze v některých verzích analyzátoru). ESA kromě plynných emisí a kouřivosti, zajišťuje měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo úhel sepnutí. Má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku, atd.) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je databanka. Tiskne protokoly, hlídá platnost osvědčení techniků, zajišťuje vedení evidence kontrolních nálepek, osvědčení. Emisní systémová analýza je určena nejen pro úřední měření emisí, ale také pro diagnostiku a základní seřízení motoru. Jedná se o modulárně řešený systém. [22]

Obr. 26 Emisní systémová analýza Bosch ESA 3.250 [22] 1 – Monitor, 2 – Dálkové ovl., 3 – Inkoustová tiskárna, 4 – Měřící modul MTM, 5 – Modul opacimetru RTM 430, 6 – Klávesnice, 7 – PC modul, 8 – Modul analyzátoru ETT 008.70-1, 9 – Dílenský vozík.

45

Modul analyzátoru ETT 8.70 provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO2, O2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (benzín, LPG, CNG a metanol). Modul ETT 8.71 je navíc připraven na montáž snímače pro měření NOx. Modul opacimetru RTM 430 se vyznačuje unikátně řešeným systémem vzduchových závěsů, který zaručuje vysokou přesnost měření a dlouhé intervaly údržby. Výfuková sonda s nastavitelnou délkou umožňuje bezproblémové připojení na výfuk vozidla. [22] 8.1.1

Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA 3.250

Tab. 5 Charakteristika modolu analyzátoru BOSCH ETT 008.70 a opacimetru RTM 430 [22]

Modul analyzátoru ETT 008.70

CO CO2 HC O2 Lambda Modul opacimetru RTM 430

Kouřivost Opacita

Měřící rozsah 0,000 – 10,00 % obj. 0,00 – 18,00 % obj. 0 – 9999 ppm obj. 0,00 – 22 % obj. 0,500 – 1,800 Měřící rozsah 0 – 100 % 0 – 10 m-1

Rozlišení 0,001 % obj. 0,01 % obj. 1 ppm obj. 0,01 % obj. 0,001 Rozlišení 0,10 % 0,01 m-1

8.2 Dynamometr pro osobní automobily MEZ 4VDM-E120D Konstrukční řešení patrné z obr. 27 vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěna ložiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se ss. elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 - T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s el. dynamometry typu SDS 225 5604 je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrzdění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. 46

Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). [22]

Obr. 27 Dynamometr MEZ 4VDM E120-D

8.2.1

Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM-E120D

Tab. 6 Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D [22]

Max. zkušební rychlost [km.h-1] Max. výkon na nápravu [kW] Max. hmotnost na nápravu [kg] Průměr válců [m] Šířka válců [mm] Mezera mezi válci [mm] Povrch válců Setrvačná hmotnost válců (každá Min. rozvor [mm] Max. rozvor [mm] Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] Zatížitelnost krytí v místě chůze [kg] Tlakový vzduch [bar] Rozsah měření rychlosti [km.h-1] Rozsah měření sil [kN] Přesnost měření rychlosti [km.h-1] Přesnost měření sil [%] Přesnost regulace rychlosti [%]

200 240 2000 1,2 600 900 zdrsnění RAA 1130 2000 3500 2000 500 min. 4 0 – 200 4x ± 5 ± 0,01 ± 0,25 ± 0,1

Přesnost regulace síly [%]

± 0,5

47

8.3 Diagnostický tester DevCom TS Pro Přístroj spojuje výhody přenosného přístroje a osobního počítače. Navazuje na trend současné doby - využívat k diagnostice osobních počítačů či notebooků. Osobní počítač nabízí příjemné uživatelské prostředí pro diagnostiku a navíc může obsahovat i rozsáhlý informační systém. Výhodou TS Pro na obr. 28 je spojení výhod přenosného diagnostického přístroje a osobního počítače. TS Pro disponuje displayem a jednoduchou klávesnicí - lze s ním tedy provádět diagnostiku i v náročných podmínkách nebo v terénu bez osobního počítače. Po připojení TS Pro k osobnímu počítači lze provádět veškeré diagnostické funkce pomocí programového vybavení dodávaného k TS Pro. V této konfiguraci slouží TS Pro jako adaptér mezi řídicí jednotku a osobní počítač. V našem případě byl diagnostický tester použit pro odečet informace o natočení škrticí klapky z řídicí jednotky motoru. [28]

Obr. 28 Diagnostický tester DevCom TS Pro [28]

8.3.1

Parametry přístroje DevCom TS Pro

Sériová diagnostika vozidel od r.v. 1990, EOBD/OBDII Scantool, podporuje standardy E-OBD, OBD-II, CAN, ISO, SAE. Rozsáhlá databáze automobilů - 39 značek, 4 - kanálový osciloskop, kompaktní design, informační i diagnostický software v PC i v TS Pro. Snadná jazyková lokalizace. Pracuje i bez PC. Moderní řešení, snadná aktualizace pomocí CD nebo přes Internet. Diagnostika propojena s informačním systémem, PC obsahuje informační systém VIVID Workshop, postupy, schémata a další. Tisk protokolů a dat. [28] 48

9 METODIKA MĚŘENÍ NA VOZIDLOVÉM DYNAMOMETRU Měření probíhalo dne 9.2.2010 na vozidlové zkušebně Mendelovy univerzity v Brně. Na vozidle Škoda Felicia 1.3 MPI popsaného v předešlých odstavcích.

9.1 Výchozí barometrické podmínky měření •

barometrický tlak: 97,92 [kPa]

•

relativní vlhkost: 34 [%]

•

teplota při prvním měření: 27 [°C]

•

teplota při závěrečném měření: 36 [°C]

9.2 Příprava vozidla a stanoviště před vlastním měřením Před vlastním měřením je nutná kontrola vozidla, kdy kontrolujeme veškeré provozní náplně od hladiny motorového oleje, až po dostatek chladicí kapaliny v expanzní nádobce chladicího systému. Dále je nutná kontrola předepsaného rozměru a tlaku pneumatik na nápravách vozidla. Pro naše vozidlo stačí pouze kontrola přední hnací nápravy. Z disků kol se demontují jejich okrasné kryty a zkontroluje se upevnění vyvažovacích závaží. Tyto úkony jsou nezbytné pro bezproblémové a bezpečné měření zkoušeného vozidla. U zkoušeného vozidla je také nutné doplnění provozních hmot. Pro bezproblémové měření byly nádrže na benzín i na plyn doplněny do maxima. Umístění vozidla na stanovišti předchází nastavení vzdálenosti bloku zadní osy válců dynamometru posuvně na požadovaný rozvor, dle rozvoru měřeného vozidla (2450 mm). Při najíždění vozidlem na válce je nutné zachovat rovnoběžnost podélné osy vozidla se střední podélnou rovinou válců, aby se zamezilo nestabilitě vozidla při vlastním měření. Přímá poloha vozidla se zajistí pomocí aretačních přípravků, které jsou šroubovými spoji fixovány k podlaze zkušebny. Konstrukce aretačních přípravků je volně přizpůsobitelná tvaru karoserie zkoušeného vozidla. Vozidlo je fixováno nastavitelnými rameny s pryžovými dorazy, které brání poškození karoserie. Systém uchycení vozidla je na obr. 29.

49

Obr. 29 Aretace vozidla na vozidlové zkušebně

Po usazení vozidla na válcích a jeho kontrole je před vozidlo umístěn ventilátor pro přídavné chlazení. Proud vzduchu je směrován na přední masku vozidla a zajišťuje proudění vzduchu přes chladič motoru, aby bylo zajištěno udržení provozní teploty motoru a v průběhu měření tak nedocházelo k přehřívání motoru a následné nutnosti přerušení zkoušky. Pro sledování otáček motoru jsme na kabel 4 – pólové svorkovnice zapalovací lišty připevnili snímací kleště. Teplota nasávaného vzduchu byla snímána termočlánkovým snímačem teploty, umístěným do boxu vzduchového filtru před daný filtr. Pro měření emisí škodlivin byla do výfukového potrubí zavedena sonda přístroje Bosch ESA, což je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Pomocí modulu analyzátoru ETT 8.71 se provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO2, O2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (benzín, LPG, CNG a metanol). Modul je navíc vybaven snímačem pro měření NOx. Pro korektnost naměřených hodnot je nutná těsnost výfukového potrubí. K výfukovému

potrubí

je

umístěna

koncovka odsávacího potrubí, která odvádí spaliny z vozidlové zkušebny během vlastního měření. Vozidlo je nutno před vlastním měřením zahřát na provozní teplotu. 50

Hodnota úhlu natočení škrticí klapky byla při jednotlivých měřeních odečítána z řídicí jednotky motoru pomocí diagnostického testeru TS Pro firmy DevCom spol. s r.o.

9.3 Kalibrační testy 9.3.1

Kalibrační test tachometru

Při prvním z kalibračních testů se dle dané metodiky zjišťuje odchylka rychlosti odečtená z tachometru (kontrolní rychlost) vozidla vůči skutečné (měřené) rychlosti naměřené na zkušebních válcích vozidlové zkušebny. Pro naše měření byla kontrolní rychlost stanovena na 50, 90 a 130 km/h. 9.3.2

Kalibrační test závislosti rychlosti vozidla na otáčkách motoru

Slouží k ověření přesnosti měření vozidlového otáčkoměru a zjištění dynamického poloměru pneumatik při akceleraci. Měření dle metodiky probíhalo na třetí rychlostní stupeň a kontrolních otáčkách 1500, 2000, 3000 a 4000 min-1. 9.3.3

Test kalibrace pro statické zkoušky výkonu

Dle dané metodiky byla kola vozidla roztáčena pomocí válců vozidlové zkušebny při zařazeném 4. rychlostním stupni a vypnuté (vyšlápnuté) spojce v rozmezí 20 až 160 km/h. Pasivní odpor byl snímán po krocích (20 km/h). Tato zkouška je nutná pro vlastní statickou zkoušku a byla provedena pro 4. rychlostní stupeň, při kterém probíhalo měření. Výsledná závislost pasivního odporu (Fpo [N]) na rychlosti je prezentována polynomickou funkcí druhého řádu.

9.4 Vlastní měření Statické měření na válcovém dynamometru probíhalo na obě paliva (LPG, Natural 95) při různém otevření škrticí klapky simulující jednotlivé režimy chodu motoru. Při každém měření bylo vždy nastaveno pět různých otevření škrticí klapky a to 33°, 40°, 54°, 71°, 82°. Při těchto rozdílných úhlech natočení škrticí klapky motoru byly při statických zkouškách vždy pro obě paliva snímány zvolené parametry. Mezi sledované parametry při našem měření byly z oblasti emisí snímány emise volného kyslíku (O2), oxidu uhelnatého (CO), oxidu uhličitého (CO2), oxidů dusíku (NOX) a uhlovodíku

51

(HC). Dále pak průběh redukovaného výkonu motoru (Pr), redukovaného točivého momentu motoru (Mtr) a součinitel přebytku vzduchu lambda (λ). Statická metoda měření je prováděna při konstantních otáčkách motoru, který je zatížen dynamometrem. Při vlastním měření se odečítají otáčky dynamometru a jim odpovídající hodnota točivého momentu, která je snímána siloměrným zařízením (tenzometrem). Z těchto hodnot se následně výpočtem určí výkon motoru, kdy jsou v ohled brány i měnící se parametry, které ovlivňují průběh točivého momentu a výkonu motoru, tedy teplota a tlak nasávaného vzduchu. Do řídicího počítače vozidlové zkušebny jsou pro jednotlivá měření vždy zadány údaje o specifikaci testu, specifikaci zkoušeného vozidla, motoru vozidla, použitém palivu, převodovém stupni pro dané měření a doplňujících údajích. Naměřené hodnoty jsou softwarem vozidlové zkušebny zpracovány a formou protokolu dokladují jednotlivá měření. Vzhledem ke změnám klimatických podmínek v průběhu měření jsou točivý moment a výkon motoru převedeny na redukovanou hodnotu pomocí korekčního součinitele K0 pro zážehové motory. Z celkové síly (Fcpř) změřené na předních válcích, z naměřené rychlosti (v), ze ztrát pasivním odporem (Fpo) při dané rychlosti (v) a korekčního součinitele (K0) se vypočítá redukovaný výkon motoru (Pr). Redukovaný točivý moment motoru (Mtr) je vypočten z odečtených otáček motoru (n) a redukovaného výkon motoru (Pr) pomocí následujících vztahů: 100  T  K0 = ⋅  p  298 

0,5

[−]

kde p je atmosférický tlak v [kPa] a T je měřená teplota nasávaného vzduchu v [K] Pr = (Fc př + F po ) ⋅ v ⋅ K o [kW ]

kde Fcpř je změřená síla na předních válcích v [kN], Fpo je pasivní odpor při dané rychlosti v [kN], v je rychlost otáčení válců v [ms-1] a K0 korekční součinitel v [-]

P = Mt ⋅ ω => Mt r =

Pr

ω

[N ⋅ m ]

ω = 2 ⋅ π ⋅ n [s −1 ]

kde Pr je redukovaný výkon motoru [W] a ω úhlová rychlost v [s-1]

52

10 ZPRACOVÁNÍ A VÝSLEDKY MĚŘENÍ Grafické i tabulkové zpracování hodnot včetně výpočtů bylo provedeno v Microsoft Office Excel 2007. Naměřené hodnoty pro jednotlivá otevření škrticí klapky jsou uvedeny v tab. 7 až 16 a graficky znázorněny na obr. 30 až 49.

10.1 Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 33° V tabulkách 7 a 8 jsou uvedeny vybrané změřené a vypočtené hodnoty pro měření na Natural 95 v tab. 7 a na LPG v tab. 8. Hodnoty u všech měření byly odečítány v šesti bodech. Každý bod pro odečet hodnot je reprezentován příslušnými otáčkami motoru. Na obr. 30, 31, 32 a 33 jsou zaznamenány průběhy hodnot Pr, Mtr, Lambda, O2, CO, CO2, NOx, HC s popisem a komentářem. Tab. 7 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 33°

n - Bosch min-1 1829 2580 3130 4147 4966 5123

Mtr Nm 69,8 64,2 56,6 40,4 31,8 33,9

Pr kW 13,4 17,4 18,6 17,5 16,5 18,2

Lambda 1,010 1,006 1,001 0,997 0,997 0,997

O2 % 0,29 0,19 0,07 0,00 0,00 0,00

CO % 0,027 0,028 0,022 0,030 0,030 0,030

CO2 % 15,10 15,21 15,28 15,34 15,33 15,34

NOX ppm 95 30 22 16 37 61

HC ppm 39 36 34 33 35 34

NOX ppm 55 20 16 27 61 124

HC ppm 127 79 66 68 77 184

Tab. 8 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 33°

n - Bosch min-1 1829 2580 3128 4145 4963 5119

Mtr Nm 67,6 59,3 49,2 32,0 22,3 23,5

Pr kW 12,9 16,0 16,1 13,9 11,6 12,6

Lambda 0,998 1,000 0,998 0,996 0,992 0,914

53

O2 % 0,31 0,17 0,10 0,03 0,00 0,00

CO % 0,312 0,129 0,111 0,067 0,101 2,553

CO2 % 13,49 13,69 13,78 13,84 13,78 12,20

Obr. 30 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°

Při otevření škrticí klapky na 33° byl, jak je patrné z obr. 30, naměřen nejvyšší výkon motoru 18,6 kW při 3130 min-1 a bylo spalováno kapalné palivo Naturál 95. Pro měření na LPG bylo maximálního výkonu dosaženo při 3128 min-1 a to 16,1 kW. Maximální hodnota točivého momentu motoru byla pro obě paliva rovněž naměřena při stejných otáčkách motoru 1829 min-1 a to pro Natural 95 69,8 Nm a pro LPG 67,6 Nm. Naměřené hodnoty odpovídají dosavadním poznatkům o provozu spalovacího motoru na zmíněná paliva.

Obr. 31Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°

54

Hodnoty naměřené na Natural 95 a znázorněné na obr. 31 odpovídají dobře popisům chemických dějů při oxidaci paliva, kdy při hodnotě λ > 1 tedy přebytku vzduchu je ve výfukových plynech obsažen i volný kyslík O2. Hodnota Lambda na Natural 95 s rostoucími otáčkami klesá až do oblasti mírně bohaté směsi a hodnota volného kyslíku ji kopíruje do 4147 min-1, kdy nabývá nulové hodnoty, což znamená, že veškerý volný kyslík je spotřebován ke spálení paliva. Průběh volného kyslíku z obr. 31 v závislosti na hodnotě lambda při spalování propan – butanu není v tomto případě ideální. I když je na LPG spalována v celém průběhu otáček motoru bohatá směs λ < 1, ve výfukových plynech je obsažen až do hodnoty oltáček 4963 min-1 volný kyslík. Tento jev může být způsoben špatnou homogenitou směsi a z hlediska efektivity spalování je pro nás dějem nevhodným a ztrátovým.

Obr. 32 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°

Příčinou vzniku emisí CO ve spalinách je všeobecně nedostatek kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. V našem případě je tedy logicky vyšší procento emisí CO při spalování LPG. Tento poznatek vyplývá z obr. 31, kde je vykreslen průběh hodnoty lambda. Vzhledem k přítomnosti oxidu uhelnatého CO ve spalinách, zároveň s volným kyslíkem O2, je možno hledat příčinu vzniku těchto emisí v místním nebo časovém nedostatku kyslíku. Místní 55

a časový nedostatek kyslíku je v našem případě pravděpodobnější u palivového systému na LPG, kde umístění směšovače může zapříčinit rozdílné (nehomogenní) složení zápalné směsi v jednotlivých válcích měřeného motoru. Oxid uhelnatý CO je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaženého v uhlovodíkovém palivu a oxid uhličitý CO2 je naopak produktem oxidace dokonalé. Z obr. 32 je při spalování LPG dobře patrný průběh obou emisních složek, kdy při poklesu jedné škodliviny druhá roste a naopak. Oxid uhličitý CO2 je produktem dokonalé oxidace. Pro naše měření dosahoval větších procent při měření na Natural 95, a dále tak potvrzuje horší spalování při provozu na LPG. Příčinu horšího spalování můžeme opět hledat v méně vhodném palivovém systému se směšovačem.

Obr. 33 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°

Nespálené uhlovodíky HC jsou jasným produktem nedokonalé oxidace. Jak obr. 33 naznačuje, a jak říká popis předchozích průběhů emisí ostatních škodlivin, je průběh oxidace propan - butanu méně kvalitní než spalování Naturalu 95. Jako velké negativum při spalovaní LPG je produkce emisí HC zároveň s volným kyslíkem O2, a to paradoxně při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1 (bohatá směs), což je z energetického hlediska jasně nevhodný a ztrátový děj. U motorů s vnější tvorbou směsi je část emisí nespálených uhlovodíků vyvolána ztrátou paliva při výměně náplně motoru v období 56

překrytí ventilů, a tak u motorů s vnější tvorbou směsi není možná úplná eliminace obsahu HC ve výfukových plynech. Oxidy dusíku všeobecně vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Emise NOx jsou rovněž energetickou ztrátou a příčina jejich vzniku je silně závislá na teplotě, při které probíhá vlastní oxidace. U našeho měření byla vyšší produkce NOx při spalování Naturalu 95 do cca 3500 min-1, tedy v oblasti nejčastějšího provozu motoru v běžných provozních podmínkách.

10.2 Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 40° V tabulkách 9 a 10 jsou uvedeny vybrané změřené a vypočtené hodnoty pro měření na Natural 95 v tab. 9 a na LPG v tab. 10. Hodnoty u všech měření byly odečítány stejným postupem jak v předchozím měření s otevřením škrticí klapky na 33°. Grafické zpracování vybraných hodnot je představeno na obrázcích číslo 34 pro Pr a Mtr, 35 pro Lambdu a O2, 36 pro CO a CO2 a 37 pro HC a NOx. Tab. 9 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 40°

n - Bosch min-1 1830 2583 3135 4156 4976 5132

Mtr Nm 76,9 79,7 77,3 68,1 58,3 56,1

Pr kW 14,7 21,6 25,4 29,6 30,4 30,1

Lambda 1,007 1,003 0,998 0,997 0,997 0,997

O2 % 0,20 0,12 0,01 0,00 0,00 0,00

CO % 0,027 0,029 0,026 0,026 0,029 0,030

CO2 % 15,13 15,24 15,32 15,33 15,33 15,35

NOX ppm 237 155 417 413 484 400

HC ppm 40 38 37 37 36 36

NOX ppm 69 44 75 124 219 244

HC ppm 123 77 92 81 132 125

Tab. 10 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 40°

n - Bosch min-1 1830 2583 3134 4156 4976 5133

Mtr Nm 76,3 77,5 74,1 64,6 56,2 57,9

Pr kW 14,6 21,0 24,3 28,1 29,3 31,1

Lambda 0,993 0,997 0,991 0,994 0,969 0,974

57

O2 % 0,26 0,14 0,03 0,00 0,00 0,00

CO % 0,418 0,182 0,171 0,059 0,785 0,609

CO2 % 13,43 13,70 13,76 13,86 13,37 13,47

Obr. 34 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°

V případě měření s druhým natočením škrticí klapky, a to na úhel 40°, byl naměřen nejvyšší výkon motoru při spalování LPG. Hodnota výkonu 31,1 kW, při otáčkách motoru 5133 min-1, v případě plynného paliva byla způsobena výraznějším obohacením směsi viz. obr. 35 proti Naturalu 95, které nastalo v rozmezí otáček 4500 – 5133 min-1. Točivý moment motoru na LPG zaznamenal při otáčkách 4976 min-1 také skokový nárůst, stejně jako zmíněný výkon motoru. Tyto skokové změny nejsou přínosem pro provoz vozidla a celkový průběh výkonu a točivého momentu motoru na obr. 34 byl pozitivnější při spalování Naturalu 95.

Obr. 35 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°

58

Z obr. 35 je patrný průběh hodnoty Lambda a volného kyslíku O2. Při spalování obou paliv je vidět podobný průběh O2, kdy při nižších otáčkách motoru je část volného kyslíku nevyužita k oxidačním dějům. Tento jev je chápán jako ztrátový a horší průběh nastává při spalování LPG. Závislost průběhu bohatosti směsi z obr. 35 ukazuje výraznější změnu hodnoty lambda při spalování LPG po překročení cca 4200 min-1. Při měření na Natural 95 lambda kopíruje téměř stechiometrické složení zápalné směsi.

Obr. 36 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°

Jak bylo již uvedeno při předchozím měření, je oxid uhelnatý CO produktem nedokonalé oxidace uhlovodíkového paliva. Prvotní příčinou jeho výskytu ve spalinách je tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. Tento předpoklad v produkci emisí CO jasně koresponduje s průběhem hodnoty lambda patrným z obr. 35. Při tomto měření je tedy produkce emisí CO vyšší při spalování LPG, a to v celém rozsahu měřených otáček. Oxid uhličitý CO2 je naopak produktem dokonalé oxidace, což v našem případě ukazuje na dokonaleji uskutečněnou oxidaci na Natural 95. Spalovací proces na Natural 95 tak byl po energetické stránce jasně výhodnější. Průběh produkce složek škodlivin CO, CO2 je opět vzájemně svázán. Vše je patrné z obr. 36 kdy při poklesu CO (LPG) roste CO2 (LPG) a naopak. 59

Obr. 37 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°

Produkce emisí HC je značně ovlivněna bohatostí spalované směsi. Při provozu na LPG je v celém rozsahu měřených otáček motoru spalována bohatá směs tedy λ < 1. Z toho vyplývá vyšší produkce emisí nespálených uhlovodíků při oxidaci LPG. Při spalování propan – butanu, tedy bohaté směsi je intenzita oxidace dusíku snížena a způsobuje ji nedostatek volného kyslíku. Vznik oxidů dusíku je značně ovlivněn teplotou spalování. Vzhledem k vyšší produkci CO2 (obr. 36) na Natural 95 a tedy po energetické stránce lepšímu průběhu oxidace je právě tímto negativně ovlivněna produkce NOx.

10.3 Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 54° Tabulky 11 a 12 uvádí přehled naměřených hodnot při otevření škrticí klapky na 54°. Měření a odečet hodnot probíhal podle stejné metodiky jako v předchozích dvou případech. Na následujících obr. 38, 39, 40 a 41 jsou zaznamenány opět jako v předchozích měřeních průběhy hodnot Pr, Mtr, Lambda, O2, CO, CO2, NOx, HC s popisem a komentářem.

60

Tab. 11 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a při úhlu otevření škrticí klapky 54°

n - Bosch min-1 1831 2585 3138 4163 4985 5140

Mtr Nm 82,2 87,3 88,6 87,6 79,8 76,3

Pr kW 15,8 23,6 29,1 38,2 41,6 41,1

Lambda 1,008 1,003 0,998 0,997 0,997 0,997

O2 % 0,23 0,13 0,01 0,00 0,00 0,00

CO % 0,030 0,031 0,027 0,029 0,031 0,033

CO2 % 15,10 15,21 15,28 15,29 15,29 15,30

NOX ppm 204 288 502 779 964 795

HC ppm 43 39 36 36 36 35

NOX ppm 59 44 130 122 166 170

HC ppm 107 65 102 81 91 84

Tab. 12 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 54°

n - Bosch min-1 1831 2585 3138 4163 4985 5140

Mtr Nm 81,3 86,4 87,6 86,5 77,9 75,2

Pr kW 15,6 23,4 28,8 37,7 40,7 40,5

Lambda 0,989 0,995 0,986 0,989 0,979 0,978

O2 % 0,21 0,11 0,00 0,00 0,00 0,00

CO % 0,478 0,226 0,257 0,225 0,509 0,551

CO2 % 13,40 13,67 13,69 13,75 13,54 13,51

Obr. 38 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°

Průběhy točivého momentu a výkonu motoru z obr. 38 byly při tomto měření velmi podobné. Maximální hodnoty obou veličin byly naměřeny při stejných otáčkách motoru. Maximální hodnota točivého momentu motoru byla při otáčkách 3138 min-1, 61

a to pro Natural 95 88,6 Nm a pro LPG 87,6 Nm. Výkon motoru dosáhl svého maxima v 4985 min-1, a to u Naturalu 95 41,6 kW a u LPG 40,7 kW. Naměřené hodnoty odpovídají dosavadním poznatkům o provozu spalovacího motoru na zmíněná paliva.

Obr. 39 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°

Lambda i O2 dle obr. 39 mají podobné průběhy při spalování obou zkoušených paliv. Jako v předchozích případech dochází ve spalovacím prostoru k oxidačním dějům, při kterých není spotřebován veškerý volný kyslík. Tento negativní, a z energetického hlediska ztrátový děj, probíhá v podobě produkce emisí volného kyslíku do cca 3150 min-1. Tento poznatek neplatí pro Natural 95, kdy je při spalování chudé směsi λ > 1 produkce volného kyslíku logická. Při měření s natočením škrticí klapky na 54° hodnota součinitele přebytku vzduchu lambda při spalování LPG zůstává stále v oblasti bohatší směsi tedy λ < 1. Na Natural 95 dochází při otáčkách cca 2950 min-1 k posunu z oblasti chudé směsi λ > 1do oblasti směsi bohaté λ < 1.

62

Obr. 40 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°

Příčina procentuálního obsahu CO ve výfukových plynech je způsobena spalováním směsi s nedostatkem kyslíku, tedy součinitelem přebytku vzduchu λ < 1. V našem případě je bohatší směs spalována při provozu na LPG, jak naznačuje obr. 39. Vyšší procento emisí CO tak přísluší spalování právě zmíněnému propan - butanu. Nižší produkce emisí CO v tomto případě nastává při spalování Natural 95, kdy je spalována ve srovnání s LPG chudší směs. Vzhledem ke společným emisím CO a O2 při spalování bohaté směsi zejména, při provozu na LPG, je možno hledat příčinu ve špatné homogenitě směsi jednotlivých válců motoru. Vyšší procento emisí oxidu uhličitého CO2 opět potvrzuje lepší proces spalování Naturalu 95, proti druhému zkoušenému palivu (propan - butanu). I při tomto měření platí již dříve popsaná závislost v produkci emisních složek CO a CO2. Tedy, že uhlík obsažený v uhlovodíkovém palivu oxiduje buť dokonale na oxid uličitý CO2 nebo nedokonale na oxid uhelnatý CO. Růst jedné složky tedy znamená pokles druhé a naopak.

63

Obr. 41 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°

Průběh HC z obr. 41 opět potvrzuje skutečnost, kdy při spalování bohaté směsi dochází ke zvýšené produkci právě zmíněných HC ve spalinách. V opačném případě, a to při spalování chudé směsi, může také dojít ke zvýšení produkce dané škodliviny. Tento jev je patrný z obr. 39 a 41, kdy je na Natural 95 spalována chudá směs do cca 3150 min-1 a přesto je produkce HC vyšší, než při následném posunu do oblasti směsi bohaté tedy λ < 1. Příčinou tohoto negativního procesu na tvorbu emisí HC mohou být chladná místa spalovacího prostoru a místní nehomogenita ve složení zápalné směsi. Tyto příčiny také potvrzuje volný kyslík obsažený ve spalinách. Emise oxidů dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného společně s kyslíkem do spalovacího prostoru, a díky tomu je jejich přítomnost ve výfukových plynech nevylučitelná. Průběh je patrný z obr. 41.

10.4 Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 71° Předposlední měření a data z něj získaná jsou uvedená v tabulkách 13 a 14. Závislosti průběhů jednotlivých měřených veličin jsou zpracovány a přehledně vyobrazeny na obr. 42, 43, 44 a 45.

64

Tab. 13 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 71°

n - Bosch min-1 1831 2585 3138 4164 4987 5142

Mtr Nm 81,7 89,2 91,9 90,9 84,1 80,5

Pr kW 15,7 24,1 30,2 39,6 43,9 43,4

Lambda 1,006 1,001 0,997 0,997 0,997 0,997

O2 % 0,19 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00

CO % 0,028 0,033 0,027 0,029 0,033 0,034

CO2 % 15,16 15,27 15,32 15,30 15,30 15,32

NOX ppm 147 141 392 742 1089 990

HC ppm 40 37 35 35 36 36

NOX ppm 41 43 105 134 150 172

HC ppm 94 58 67 71 82 80

Tab. 14 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 71°

n - Bosch min-1 1831 2585 3137 4163 4986 5142

Mtr Nm 80,8 88,3 88,6 89,2 82,4 79,2

Pr kW 15,5 23,9 29,1 38,9 43,0 42,6

Lambda 0,990 0,994 0,981 0,985 0,969 0,973

O2 % 0,19 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00

CO % 0,441 0,251 0,474 0,357 0,850 0,736

CO2 % 13,45 13,69 13,60 13,65 13,32 13,40

Obr. 42 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°

65

V průběhu točivého momentu motoru při spalování LPG je v rozmezí otáček motoru 2585 až 4164 min-1 vidět výraznější propad proti Naturalu 95. Tento jev ukazující růst diference v průbězích momentů motoru na jednotlivá paliva je dále patrný z obr. 46, který graficky znázorňuje měření s otevřením škrticí klapky na 82°. Hodnota maximálního výkonu na LPG dosáhla 43,0 kW při 4986 min-1 a točivého momentu motoru 89,2 Nm při otáčkách 4163 min-1. Maximální hodnota točivého momentu motoru byla naměřena 91,9 Nm při 3138 min-1 a byl spalován Naturál 95. Nejvyšší výkon při tomto otevření škrticí klapky byl 43,9 kW při otáčkách motoru 4987 min-1 a byl spalován rovněž Natural 95.

Obr. 43 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°

Hodnota Lambda na Natural 95 z obr. 43 s rostoucími otáčkami klesá až do oblasti mírně bohaté směsi. Hodnota volného kyslíku má podobný průběh. Tyto poznatky nejsou na rozdíl od průběhu volného kyslíku O2 a součinitele přebytku vzduchu lambda při spalování LPG takovým negativem. Z hlediska dokonalosti spalování propan – butanu a produkce emisí škodlivin se jedná o negativní průběh. Z průběhu hodnot O2 a lambda je při provozu na LPG s otevřenou škrticí klapkou na 71° opět vidět negativum v podobě nevyužití volného kyslíku při spalování bohaté směsi. Tento jev se dále ukáže na obr. 45 v podobě výrazně zvýšených emisí HC. 66

Obr. 44 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°

Z hodnot naměřených při této předposlední statické zkoušce a poznatků uvedených v předchozích popisech je opět patrné, že pozitiva z energetického hlediska dokladovaná vyšší produkcí CO2 nastávají při spalování Naturalu 95. Opačný poznatek plyne z produkce oxidu uhelnatého CO, který je vyšší při oxidaci plynného paliva (LPG). Na obr. 44 je opět dobře patrná vzájemná závislost produkce emisních složek CO a CO2 popsaná při měřeních s otevřením škrticí klapky na 33°, 40° a 54°.

Obr. 45 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°

67

Emise nespálených uhlovodíků HC jsou z energetického i ekologického hlediska jasným negativem. Při spalovaní LPG je produkce emisí HC zároveň s volným kyslíkem O2 viz obr. 43, a to paradoxně při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1 (bohatá směs). Průběh oxidace propan butanu je tak méně dokonalý než, spalování Naturalu 95. U Naturalu 95 je situace podobná, ale produkce HC je výrazně nižší přesto, je opět jasnou ztrátou. Emise NOx, jak již bylo zmíněno, jsou rovněž energetickou ztrátou a příčina jejich vzniku je silně závislá na teplotě, při které probíhá vlastní oxidace. Při našem měření byla vyšší produkce NOx v celém měřeném rozsahu otáček motoru při spalování Naturalu 95.

10.5 Zpracování měření při otevření škrticí klapky na 82° Poslední měření a z něj získané hodnoty jsou uvedeny v tab. 15 a 16. Zpracované a vypočtené hodnoty jsou graficky znázorněny na obr. 46, 47, 48 a 49. Vybrané veličiny jsou zpracovány dle stejné metodiky jako v předchozích případech. Tab. 15 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 82°

n - Bosch min-1 1832 2587 3121 4166 4989 5144

Mtr Nm 85,6 93,6 96,7 95,9 88,0 85,7

Pr kW 16,4 25,4 31,6 41,9 46,0 46,2

Lambda 0,902 0,887 0,931 0,882 0,868 0,877

O2 % 0,25 0,09 0,01 0,00 0,00 0,00

CO % 3,645 4,015 2,313 4,140 4,676 4,352

CO2 % 12,71 12,63 13,80 12,59 12,26 12,49

NOX ppm 15 22 112 309 284 213

HC ppm 181 160 119 121 118 102

NOX ppm 194 77 161 158 215 265

HC ppm 129 68 64 79 93 97

Tab. 16 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 82°

n - Bosch min-1 1832 2586 3139 4165 4987 5143

Mtr Nm 82,6 89,8 92,0 91,2 84,0 81,4

Pr kW 15,8 24,3 30,2 39,8 43,9 43,8

Lambda 0,989 0,991 0,986 0,988 0,970 0,972

68

O2 % 0,29 0,10 0,01 0,00 0,00 0,00

CO % 0,575 0,327 0,363 0,269 0,800 0,744

CO2 % 13,29 13,59 13,63 13,69 13,29 13,36

Obr. 46 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°

Při měření průběhu výkonu s otevřenou škrticí klapkou na 82° jsme podle předpokladů a předchozích průběhů Pr naměřili nejvyšší výkon motoru na Natural 95 a to 46,2 kW při 5144 min-1. Hodnota maximálního výkonu na LPG dosáhla hodnoty 43,9 kW při 4987 min-1. Maximální hodnota točivého momentu motoru byla naměřena 96,7 Nm při 3121 min-1 a byl spalován Naturál 95. Nejvyšší hodnota točivého momentu byla pro LPG dosažena v 3139 min-1 a to 92 Nm. Naměřené hodnoty odpovídají dosavadním poznatkům o provozu spalovacího motoru na zmíněná paliva.

Obr. 47 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°

69

Při režimu chodu motoru s otevřenou škrticí klapkou na 82° došlo poprvé, ve srovnání s předchozími měřeními, k výraznějšímu rozdílu v bohatosti směsi. Pro vstřikovací zařízení SIMOS 2P je úhel otevření škrticí klapky společně s otáčkami motoru a teplotou a tlakem v sacím potrubí korekční veličinou určujicí stav zatížení motoru. Stavu zatížení motoru se přizpůsobuje dávka paliva, kdy víme že při potřebě a preferenci výkonu motoru nad spotřebou je výhodnější spalování bohatší směsi. U plynového palivového systému na našem vozidle je pro spalování LPG použita koncepce se spalováním stechiometrické směsi (součinitel přebytku vzduchu λ = 1) ve všech provozních režimech. Pro správnou regulaci bohatosti směsi je nutná vlastní

řídicí jednotka LPG. Ta využívá k vyhodnocování a řízení stávající signály motoru: otáčky motoru (RPM), teplotní a talkový snímač v sacím potrubí (TPS, MAP senzor) a lambda sondu. Z předešlého vyplývá jasný nedostatek plynového palivového systému pro různé chody motoru, kdy je vhodné měnit směšovací poměr. Dále pak potvrzuje rozdílné výsledky průběhu výkonu a točivého momentu motoru z obr. 46 při použití daných paliv. Průběh volného kyslíku je při tomto měření opět negativem, neboť v obou případech spalování zkoušených paliv je spalována bohatá směs tedy λ < 1. Z obr. 47 je jasné, že i při nedostatku kyslíku pro dokonalé spálení směsi se část kyslíku O2 neúčastní oxidace paliva. Logicky se tak nespotřebuje a objeví ve vyfukových plynech. Průběh O2 značí nespálení části paliva a stává se tak jasnou enrgetickou ztrátou.

Obr. 48 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°

70

Navzdory předchozím nedostakům palivového systému připravujícího pro spálení směs propanu a butanu se ukazuje pozitivnější průběh emisí CO, CO2 proti benzínu. Jak již bylo zmíněno u zážehového motoru, je oxid uhelnatý CO produktem nedokonalé oxidace uhlíku v uhlovodíkovém palivu. Příčina jeho procentuálního obsahu ve výfukových plynech je spalování směsi s nedostatkem kyslíku, tedy součinitelem přebytku vzduchu λ < 1. V našem případě je bohatší směs spalována při provozu na Natural 95, jak ukazuje obr. 47. Vyšší procento emisí CO tak přísluší spalování právě zmíněnému Naturalu 95. Pozitiva v produkci emisí v tomto případě zůstávají na straně LPG, které využívá neschopnost plynového palivového systému obohatit směs a striktní dodržování směšovacího poměru kolem hodnoty 1. Na druhou stranu provoz vozidla se v tomto režimu chodu motoru nachází spíše vyjímečně a když, tak pouze krátkodobě. Proto v tomto případě úspora emisí CO a CO2 nepředstavuje významný přínos. Vzhledem ke společným emisím CO a O2 při spalování bohaté směsi je možno hledat příčinu v místním nedostatku kyslíku jednotlivých válců motoru nebo částech spalovacího prostoru motoru, kdy je možnou příčinou časově nahodilá změna směšovacího poměru. Tyto příčiny opět ukazují na nedokonalost obou palivových systému použitých na měřeném vozidle. Grafický průběh emisí oxidu uhličitého CO2 potvrzuje lepší spalování LPG proti druhému zkoušenému palivu (Natural 95). Pro vzájemnou závislost produkce CO a CO2 platí stejný popis jako v předchozích měřeních patrných z obr. 36, 40, 44.

71

Obr. 49 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°

Oxidy dusíku vznikají oxidací dusíku obsaženého v nasávaném vzduchu dodávaném do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Jak bylo v předchozím popisu obr. 33 uvedeno oxidy dusíku NOx vznikají ve spalovacím prostoru za vysokých teplot a tlaků. Nejvyšších teplot se dosahuje spalováním lehce bohatých směsí (λ < 1). Tento poznatek vede k vysvětlení větších emisí NOx při spalování Naturalu 95. Za složení směsi a její obohacení při tomto režimu provozu je zodpovědný systém řízení motoru. Palivové uhlovodíky jsou přítomny v čerstvé směsi obdobně jako vzdušný dusík ještě před vlastní oxidací ve spalovacím prostoru motoru. Jejich výskyt ve spalinách v nadrovnovážné koncentraci tedy není v rozporu s logikou popisu jednotlivých mechanismů. Uhlovodíky obsažené ve spalinách jsou v našem případě ovlivněny spalováním bohaté směsi, tedy nedostatkem kyslíku potřebného k oxidaci paliva. Bohatší směs je, jak z obr. 47 vyplývá, na Natural 95, a tak je i množství produkovaných emisí HC na benzín vyšší než na LPG.

72

11 ZÁVĚR A DISKUSE Z výsledků a grafického zpracování vyplývá, že samotný palivový systém motoru je velmi důležitým a jedním z rozhodujících prvků ovlivňující složení výfukových plynů, pokud se jedná o použití na konstrukčně shodném motoru, tak jako v našem případě. Zásadní rozdíly mezi použitými systémy přípravy směsi rozhodly o vhodnosti jejich použití z hlediska čistoty výfukových plynů. Jako zásadní negativum pro plynový palivový systém se ukázala jeho neschopnost změny směšovacího poměru. Hodnota součinitele přebytku vzduchu při hoření plynného paliva s mírnými rozdíly kopírovala hodnotu lambda 1, tedy stechiometrické složení spalované směsi, a to při všech měřeních, které proběhly pokaždé s rozdílným nastavením škrticí klapky, které simulovalo různé režimy chodu motoru. Rovněž

umístění

směšovače

(podobné

karburátoru

nebo

jednobodovému

vstřikování) mělo na hodnoty emisí negativní dopad. Právě z tohoto konstrukčního uspořádání plynou jasné nedostatky palivového systému dávkujícího LPG. Jako zásadní nedostatky vidím nerovnoměrnost ve složení směsi v jednotlivých válcích motoru a pozdější reakci na změny provozu, tedy aktuální režim chodu motoru ve srovnání s palivovým systémem MPI. I přes fakt, že plynná paliva jsou vhodná pro přípravu homogenní směsi se ukázalo, jak starší typ palivového systému na LPG může ztratit již zmíněnou přednost plynného paliva. Ve snaze palivového systému na směs propanu a butanu zmírnit rozdíl ve výkonových parametrech bylo na měřeném vozidle LPG dávkováno s mírným přebytkem paliva, tedy mírně bohatší směsí oproti benzínovému palivovému systému, a to až do otevření klapky na 82°. Při této hodnotě došlo k výraznějšímu obohacení směsi u benzínového palivového systému. Z tabulkového, a následně přehledného grafického zpracování, je jasné, že plynné palivo použité pro naše měření zvládá pokrýt požadavky uživatele vozidla na výkonové parametry motoru. Pokles výkonu při spalování směsi LPG a vzduchu plně odpovídá nižší výhřevností směsi oproti spalování směsi benzínu a vzduchu. Odpověď na spotřebu paliva je též ukryta v litrové výhřevnosti obou paliv. V tomto případě zůstávají opět pozitiva na straně benzínu.

73

I přes všechna negativa spojená s provozem na plyn zde zůstává zásadní argument, a tím je rozdílná cena obou zkoušených paliv. Tento cenový rozdíl je jednoznačnou a neoddiskutovatelnou výhodou pro LPG. Vzhledem ke stáří zkoušeného vozidla a době montáže plynového systému (24.1.2003) lze říci, že na tehdejší dobu nebyla použitá technika archaická, a že s dávkou tolerance lze užívat nesporných výhod jak po stránce nákladů na provoz, tak na údržbu do dnešní doby. Zmíněné nedostatky palivového systému na plynné palivo použité na našem vozidle není dnes problém eliminovat. Pokud si vezmeme pro inspiraci klasické palivové systémy zážehových motorů a jejích obrovský pozitivní rozvoj za posledních několik let, kdy jsme byli schopni se dostat od karburátorů k systémům přímého vstřikování benzínu, tak můžeme podobný a logický rozvoj pozorovat i u systémů pro dávkování LPG. LPG systémy prošly též řadou pozitivních změn a nabídka moderních systémů vstřikování plynu adekvátní pro dnešní motory a podmínky jejich provozu je stále rozšířenější a cenově dostupnější. Do budoucna lze tedy očekávat, že zájem o přestavby na pohon propan – butanem bude pokračovat. Problematikou palivových systémů na LPG se zabývá již delší dobu celá řada autorů a závěry nejsou vždy shodné. LPG je téměř vždy prezentováno jako palivo šetrné k životnímu prostředí jak uvádí např. Hromadko 2008. Dle mých závěrů je tento předpoklad splněn pouze při používání systému, který je schopen připravit kvalitně směs paliva se vzduchem a je použit na správně seřízeném motoru. Stejné předpoklady zmiňuje ve své práci „Alternativní pohony motorových vozidel“ Vlk 2004. K plné shodě s ostatními autory a většinou seriozních výrobců palivových systémů pro přípravu směsi vzduchu a propan - butanu jsem po zpracování měření dospěl v oblasti výkonových parametrů. Výkon motoru a točivý moment při spalování LPG nabývá ve srovnání s automobilovým benzínem nižších hodnot i u nejvyspělejších palivových systémů, jak uvádí Čupera 2004 v práci „Výkonové parametry osobních automobilů spalujících plynná paliva na válcové zkušebně“. Další výhoda a poznatek plynoucí z vlastní praktické zkušenosti a korespondující s literaturou Cedrych 1999 je čistota a delší životnost mazacího oleje.

74

Seznam použité literatury [1] VLK, František. Paliva a maziva motorových vozidel. Vyd. 1. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vadavatelství, 2006. 376 s. ISBN 80-239-6461-5. [2] VLK, František. Alternativní pohony motorových vozidel. Vyd. 1. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vadavatelství, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5. [3] JAN, Zdeněk ; ŽDÁNSKÝ, Bronislav. AUTOMOBILY 4 Příslušenství. Vyd. 2. Brno : Avid s.r.o., 2003. 305 s. [4] BAUMRUK, Pavel. Příslušenství spalovacích motorů. Vyd. 1. Praha : ČVUT, 2002. 241 s. ISBN 80-01-02062-2. [5] HROMÁDKO, Jan ; HROMÁDKO, Jiří; HÖNIG, Vladimír. SPALOVACÍ MOTORY. Vyd. 1. Praha : ČZU, 2008. 287 s. [6] CEDRYCH, Mario René. JEZDÍME NA PLYN : Přestavba automobilů na alternativní pohon plynem. 2. rozšířené vydání. Praha : Grada Publishing, spol. s.r.o., 1999. 135 s. ISBN 80-7169-719-2. [7] MACH, Jiří R. Opravy automobilů Škoda Felicia, Felicia Combi, Pickup. Vyd. 1. Praha : Grada Publishing, spol. s.r.o., 2001. 188 s. ISBN 80-247-0189-8. [8] ADLER, Ulrich, et al. Systém řízení motoru Motronic. Přel. L. Švehla. 1. české vydání. Praha : Robert Bosch, 1999. 65 s. ISBN 80-902585-3-0. [9] CENKA, Miroslav, et al. Obnovitelné zdroje energie. 2. upravené a doplněné vydání. Praha : FCC PUBLIC, 2001. 208 s. ISBN 80-901985-8-9. [10] ŠKODA AUTO a.s. Dílenská příručka FELICIA : Vstřikovací a zapalovací zařízení Simos 2P. 2. doplněné vydání, 1999. 160 s. [11] ŠKODA AUTO a.s. Dílenská příručka FELICIA : Motor 1,3 l - mechanická část. 2. doplněné vydání, 1999. 148 s. [12] ŠKODA automobilová a.s. Dílenská příručka FELICIA : Převodovka. 2. doplněné vydání, 1997. 96 s. [13] Alternativní paliva v dopravě : Dohoda směřující k rozšíření zemního plynu jako alternativního paliva v dopravě [online]. 2008-2011 [cit. 2011-01-26]. Ministerstvo životního prostředí. Dostupné z WWW: http://mzp.cz/cz/dohoda_rozsireni_zemni_plyn. [14] Alternativní paliva [online]. 15.11.2005 [cit. 2011-01-26]. Úvod do problematiky alt. paliv. Dostupné z WWW: http://alternativnipaliva.fd.cvut.cz/PC_problem.html. [15] LPG systémy [online]. 2007 [cit. 2011-01-26]. Informace ze světa LPG. Dostupné z WWW: . [16] Vozidla na zemní plyn [online]. 2010 [cit. 2011-01-26]. RWE The energy to lead. Dostupné z WWW: . [17] PRAŽÁK, Václav. Motorová paliva a biopaliva. Česká rafinérská, a.s. [online]. 2009, [cit. 2011-01-26]. Dostupný z WWW: http://www.petroleum.cz/uploď /motorova_paliva_a_biopaliva.pdf.

75

[18] HROMÁDKO, Jan: Využití etanolu ve vznětových motorech. Biom.cz [online]. 2010-05-12 [cit. 2011-01-26]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. [19] Vialle LPi na zkapalněný plyn (LPG) [online]. 2007 - 2011 [cit. 2011-01-26]. VIALLE alternativ fuel systems. Dostupné z WWW: . [20] LEONHARD, Rolf. Pohon automobilů v budoucnosti - nižší obsah škodlivých emisí, alternativní pohony a obnovitelná paliva. Přednáška na 58. mezinárodnímu kolokviu [online]. 2007, [cit. 2011-01-27]. Dostupný z WWW: . [21] ČADEK, Jaroslav. Typy redukcí plnění [online]. 1993 - 2011 [cit. 2011-01-27]. Autoplyn. Dostupné z WWW: . [22] ČUPERA, Jiří. Vozidlová zkušebna pro osobní automobily [online]. 2010 [cit. 2011-01-27]. Dostupné z WWW: . [23] Ekonomika zavádění alternativních paliv v dopravě a možnosti internalizace externích nákladů dopravy v České republice: ROČNÍ ZPRÁVA K ŘEŠENÍ PROJEKTU MINISTERSTVA DOPRAVY ČR. In Alternativní paliva (MD, 20042006) [online]. Praha : [s.n.], 2006 [cit. 2011-01-31]. Dostupné z WWW: . [24] Nova Gas s.r.o. Návod k obsluze a údržbě : TEC 99. In Brno : 1997. s. 23. [25] Nova Gas s.r.o. Návod k obsluze a údržbě : LPG soustavy typu NG – 06 pro vozy ŠKODA Felicia, Felicia Combi, Pick Up s motorem 1.3 MPI (výkon 40 kW a 50 kW) . In Brno : 1996. s. 20. [26] Cars and Light Trucks : Emission standards [online]. 2010 [cit. 2011-02-18]. Emission Standards European Union. Dostupné z WWW: . [27] Náhradní díly: Originální příslušenství [online]. 2011, 2010 [cit. 2011-02-18]. Auto Kelly, a.s. E-Shop. Dostupné z WWW: . [29] HOFMANN, Karel. Alternativní pohony. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2005. 73 s. [30] BEROUN, Stanislav. Vozidlové motory. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2006. 108 s [31] TAKÁTS, Michal. Měření emisí spalovacích motorů. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. 124 s. ISBN 80-01-01632-3. 76

Seznam obrázků Obr. 1 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil s karburátorovým motorem bez katalyzátoru) [6] ....................................................................................... 14 Obr. 2 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil se vstřikováním benzínu a řízeným katalyzátorem) [6] ............................................................................ 15 Obr. 3 Typy plnících ventilů a použití v jednotlivých státech [21] ................................. 15 Obr. 4 Směšovač u palivového systému s karburátorem [15] ........................................ 17 Obr. 5 Směšovač u palivových systémů se vstřikováním benzínu [15] ........................... 17 Obr. 6 Komponenty systému pro vstřikování plynné fáze LPG [6] ................................ 19 Obr. 7 Vstřikováním plynného paliva - paralelní systém (auta bez systémů palubní diagnostiky EOBD a OBD II. tj. do roku výroby 2001) [15].......................................... 20 Obr. 8 Vstřikováním plynného paliva - sériový systém (auta se systémy palubní diagnostiky EOBD a OBD II.) [15] ................................................................................ 21 Obr. 9 Vstřikování kapalné fáze LPG [15] ..................................................................... 23 Obr. 10 Potenciál snížení produkce CO2 podle druhu hnacího ústrojí [20] .................. 26 Obr. 11 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a naftu (100 %) [16]............................................................................................................................ 27 Obr. 12 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a benzín (100 %) [16]............................................................................................................................ 28 Obr. 13 Plnící stanice CNG v ČR [16] ........................................................................... 29 Obr. 14 Regulátor tlaku paliva [16] ............................................................................... 30 Obr. 15 Schéma zástavby osobního automobilu na stlačený zemní plyn [16]................ 31 Obr. 16 Orientační umístění komponent LPG na měřeném vozidle Škoda Felicia [25] 37 Obr. 17 Toroidní tlaková nádrž [24] .............................................................................. 38 Obr. 18 Směšovač [24] ................................................................................................... 39 Obr. 19 Přehled rozmístění jednotlivých součástí soustavy SIMOS 2P [10] ................. 40 Obr. 20 Palivová soustava SIMOS 2P a její komponenty [11] ...................................... 41 Obr. 21 Palivový filtr Škoda Felicia [27] ....................................................................... 42 Obr. 22 Elektrické dvoustupňové palivové čerpadlo [27] .............................................. 42 Obr. 23 Komponenty palivového systému SIMOS 2P – rozdělovací palivové potrubí [11] ................................................................................................................................. 43 Obr. 24 Regulátor tlaku paliva a jeho umístění na rozdělovacím palivovém potrubí pozice 1[11] .................................................................................................................... 43 Obr. 25 Vstřikovací ventil [27] ....................................................................................... 44 Obr. 26 Emisní systémová analýza Bosch ESA 3.250 [22] ............................................ 45 Obr. 27 Dynamometr MEZ 4VDM E120-D .................................................................... 47 Obr. 28 Diagnostický tester DevCom TS Pro [28] ......................................................... 48 Obr. 29 Aretace vozidla na vozidlové zkušebně .............................................................. 50 Obr. 30 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33° ........................................................................................................................................ 54 Obr. 31Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°................................................................................................................................... 54 Obr. 32 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°................................................................................................................................... 55 Obr. 33 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 33°................................................................................................................................... 56

77

Obr. 34 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40° ........................................................................................................................................ 58 Obr. 35 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°................................................................................................................................... 58 Obr. 36 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°................................................................................................................................... 59 Obr. 37 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 40°................................................................................................................................... 60 Obr. 38 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54° ........................................................................................................................................ 61 Obr. 39 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°................................................................................................................................... 62 Obr. 40 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°................................................................................................................................... 63 Obr. 41 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 54°................................................................................................................................... 64 Obr. 42 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71° ........................................................................................................................................ 65 Obr. 43 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°................................................................................................................................... 66 Obr. 44 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°................................................................................................................................... 67 Obr. 45 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 71°................................................................................................................................... 67 Obr. 46 Průběh Pr a Mtr v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82° ........................................................................................................................................ 69 Obr. 47 Průběh O2 a Lambda v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°................................................................................................................................... 69 Obr. 48 Průběh CO2 a CO v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°................................................................................................................................... 70 Obr. 49 Průběh HC a NOx v závislosti na otáčkách motoru při otevření škrticí klapky 82°................................................................................................................................... 72

78

Seznam tabulek Tab. 1 EU emisní standardy pro osobní automobily (kategorie M1) [26] ..................... 10 Tab. 2 Základní vlastnosti propanu, butanu a benzínu [5] ............................................ 12 Tab. 3 Scénáře rozvoje alternativních paliv dle Evropské komise uvedené v Bílé knize dopravní politiky (COM/2001/370) ................................................................................ 25 Tab. 4 Popis měřeného vozidla [10, 11, 12] ................................................................... 36 Tab. 5 Charakteristika modolu analyzátoru BOSCH ETT 008.70 a opacimetru RTM 430 [22] ................................................................................................................................. 46 Tab. 6 Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D [22] ......... 47 Tab. 7 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 33° ........................................................................................................................................ 53 Tab. 8 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 33° .......... 53 Tab. 9 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 40° ........................................................................................................................................ 57 Tab. 10 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 40° ........ 57 Tab. 11 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a při úhlu otevření škrticí klapky 54° ................................................................................................................................... 61 Tab. 12 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 54° ........ 61 Tab. 13 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 71° ........................................................................................................................................ 65 Tab. 14 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 71° ........ 65 Tab. 15 Hodnoty naměřené při spalování Naturalu 95 a úhlu otevření škrticí klapky 82° ........................................................................................................................................ 68 Tab. 16 Hodnoty naměřené při spalování LPG a úhlu otevření škrticí klapky 82° ........ 68

79