Speciální spalovací motory a alternativní pohony

Jan Hromádko s problematikou využívání alternativních pohonů. Na první kapitoly, které zařazují téma do celosvětové spotřeby energií, navazují kapitoly o motorech speciální konstrukce – spalovací turbína, Stirlingův motor, Wankelův motor a moderní parní motor. Samostatná kapitola je věnována vozidlům na plynná paliva. Hlubší rozbor je zaměřen na problematiku alternativního způsobu pohonu vozidel představovaný elektrickými vozidly na baterie, hybridními vozidly a elektrickými vozidly s palivovým článkem. Závěrečná část je věnována palivům biologického původu a analýze o budoucnosti pohonu motorových vozidel. Kniha je určena studentům technických automobilních škol všech typů (vyšší odborné, střední i vysoké školy), samozřejmě i odborné veřejnosti a také zájemcům o automobilovou techniku.

Grada Publishing, a.s., U Průhonu 22, 170 00 Praha 7 tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400 e-mail: [email protected], www.grada.cz

Speciální spalovací motory a alternativní pohony

Komplexně pojatá odborná publikace seznamuje čtenáře

Jan Hromádko

Speciální y r o t o m í c a spalov y n o h o p í n iv t a a altern

Komp

probl d e l h e ř p í lexn

e matik

hny typy c e š v o r p y

techn

ilních b o m o t u a ických

ův a, Stirling ín b r u t í c a otor  spalov r, parní m o t o m v lů a Wanke mobily  elektro ní pohony  hybrid liva va a biopa li a p á n n  ply cnost a a budou z lý a n a  nů ních poho iv t a n r e lt a

škol

Jan Hromádko

Speciální y r o t o m í c a spalov y n o h o p í n iv t a a altern

y p y t y n h c e o vš r p y k i t a blem o r p d e ol l k h š e ř h p c í í n n l i x b e mo o t u Kompl a h c ý k technic Grada Publishing a.s.

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy Všechna práva vyhrazena. Žádná část této štěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné uži této knihy bude trestně sháno.

Ing. Jan Hromádko, Ph.D.

Speciální spalovací motory a alternavní pohony Komplexní přehled problemaky pro všechny typy technických automobilních škol TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE: Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 [email protected], www.grada.cz tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400 jako svou 5002. publikaci Odpovědná redaktorka ing. Šárka Němečková Sazba Artedit, spol. s .r. o. Počet stran 160 První vydání, Praha 2012 Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s. Recenzoval: Ing. Pavel Štěrba © Grada Publishing, a.s., 2012 Cover Design © Grada Publishing, a.s., 2012 Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-4455-1

TIRÁŽ ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE: ISBN 978-80-247-7079-6 (ve formŠtu PDF) ISBN 978-80-247-7080-2 (ve formŠtu EPUB)

Obsah Předmluva .................................................................................................................................. 9 1. Úvod ...................................................................................................................................... 11 1.1 Problematika produkce oxidu uhličitého ............................................................................. 11 1.2 Spotřeba fosilních paliv ....................................................................................................... 14 1.3 Produkce škodlivých emisí .................................................................................................. 16 2. Spalovací motory speciální konstrukce.............................................................................. 19 2.1 Spalovací turbína ................................................................................................................. 19 2.1.1 P-V diagram a tepelná účinnost spalovací turbíny ............................................... 21 2.1.2 Zvýšení účinnosti spalovací turbíny ...................................................................... 22 2.1.3 Vozidla se spalovací turbínou ................................................................................ 23 2.2 Stirlingův motor ................................................................................................................... 24 2.2.1 Historický vývoj Stirlingova motoru ...................................................................... 25 2.2.2 Princip funkce současného Stirlingova motoru ..................................................... 26 2.2.3 Modifikace Stirlingova motoru .............................................................................. 28 2.2.4 Aplikace Stirlingova motoru .................................................................................. 28 2.2.5 Stirlingův motor firmy Tedom ................................................................................ 31 2.2.6 Výhody Stirlingova motoru .................................................................................... 32 2.3 Wankelův motor ................................................................................................................... 33 2.3.1 Historický vývoj Wankelova motoru ...................................................................... 34 2.3.2 Rozbor problémů a výhod Wankelových motorů ................................................... 36 2.3.3 Budoucnost Wankelova motoru ............................................................................. 37 2.4 Parní motor........................................................................................................................... 37 2.4.1 Historie parního motoru ........................................................................................ 38 2.4.2 Vývoj parního motoru ZEE (Zero Emission Engine) ............................................. 39 2.4.3 Dosažené výsledky projektu ZEE ........................................................................... 42 3. Elektrická vozidla na baterie .............................................................................................. 47 3.1 Historický vývoj elektromobilů ........................................................................................... 47 3.2 Elektromotor ........................................................................................................................ 48 3.2.1 Stejnosměrný motor s cizím buzením .................................................................... 48 3.2.2 Asynchronní motor................................................................................................. 49 3.2.3 Transversální motor............................................................................................... 50 3.2.4 Řízený reluktanční motor ....................................................................................... 50 3.2.5 Stejnosměrný motor bez kartáčů............................................................................ 51 3.3 Bateriové systémy a energetické zásobníky......................................................................... 52 3.3.1 Olověný akumulátor .............................................................................................. 54 3.3.2 Baterie Nikl-kadmium ............................................................................................ 54 3.3.3 Baterie Nikl-metalhydridová ................................................................................. 55 3.3.4 Baterie lithium-iontová .......................................................................................... 56 3.3.5 Baterie vysokoteplotní ........................................................................................... 56

5

:\ Obsah >

3.4 Legendární elektrovozidlo GM EV1 ................................................................................. 57 3.5 Současná elektrovozidla..................................................................................................... 59 4. Hybridní pohony automobilů............................................................................................ 4.1 Princip činnosti hybridního pohonu ................................................................................... 4.2 Řešení hybridního pohonu u Toyoty Prius ......................................................................... 4.3 Hybridní autobus................................................................................................................ 4.4 Zásobníky energie .............................................................................................................. 4.4.1 Elektrický akumulátor – baterie .......................................................................... 4.4.2 Vysoko energetický kondenzátor – superkondenzátor ......................................... 4.4.3 Mechanický akumulátor energie.......................................................................... 4.4.4 Hydrostatický akumulátor energie....................................................................... 4.5 Hybridní pohon s lineárním spalovacím motorem.............................................................

65 67 68 73 75 76 76 78 79 80

5. Elektrická vozidla s palivovými články............................................................................ 5.1 Historický vývoj palivového článku .................................................................................. 5.2 Funkce palivového článku ................................................................................................. 5.3 Typy palivových článků ..................................................................................................... 5.3.1 Palivové články s polymerní iontoměničovou membránou (PEMFC) ................ 5.3.2 Palivové články s alkalickým elektrolytem (AFC) ............................................... 5.3.3 Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) ................................................ 5.3.4 Palivové články s uhličitanovou taveninou (MCFC) ........................................... 5.3.5 Palivové články s pevným elektrolytem (SOFC) .................................................. 5.3.6 Palivový článek pro přímou reakci methanolu (DMFC) ..................................... 5.4 Reformování paliva ............................................................................................................ 5.5 Příklad vozidel s palivovými články ..................................................................................

85 85 86 88 89 91 92 92 93 94 95 97

6. Vozidla na plynná paliva ................................................................................................... 101 6.1 Historický vývoj využití plynných paliv v dopravě ........................................................... 101 6.2 Vozidla na LPG (Liquefied petroleum gas)........................................................................ 105 6.3 Vozidla na zemní plyn ........................................................................................................ 108 6.3.1 Výhody zemního plynu ......................................................................................... 109 6.3.2 Nevýhody zemního plynu ..................................................................................... 110 6.3.3 Výroba a parametry automobilu s pohonem na zemní plyn ................................ 111 6.3.4 Plnící stanice CNG .............................................................................................. 112 6.3.5 Přímý vstřik zemního plynu do válce ................................................................... 114 6.3.6 Zkapalněný zemní plyn (LNG – Liquefied Natural Gas) ..................................... 117 6.4 Ostatní plynná paliva ......................................................................................................... 119 6.4.1 Bioplyn ................................................................................................................. 119 6.4.2 Vodík .................................................................................................................... 120 7. Biopaliva ............................................................................................................................. 129 7.1 Historie využívání biopaliv ................................................................................................ 130 7.2 Legislativa pro oblast biopaliv ........................................................................................... 132 7.3 Výroba a charakteristika biopaliv ...................................................................................... 133 7.3.1 Výroba a charakteristika bioethanolu ................................................................. 134 7.3.2 Výroba a charakteristika methylesteru řepkového oleje ..................................... 137

6

Obsah >

7.3.3 Výroba syntetické motorové nafty ....................................................................... 139 8. Analýza alternativních pohonů ......................................................................................... 141 8.1 Well to Wheel analýza nejběžnějších alternativních pohonů a paliv ................................. 142 8.1.1 Základní postup tvorby Well to Wheel analýzy .................................................... 142 8.1.2 Výsledky Well to Wheel analýzy pro nejpoužívanější paliva ............................... 143 9. Budoucnost pohonu motorových vozidel ......................................................................... 145 9.1 Využití solární energie v automobilech .............................................................................. 145 9.1.1 Princip činnosti fotovoltaických článků .............................................................. 146 9.1.2 Využití fotovoltaických článků u vozidel .............................................................. 147 9.2 Využití energie spalin a odpadního tepla spalovacího motoru ........................................... 148 9.2.1 Turbokompoudní systémy .................................................................................... 149 9.2.2 Termoelektrický generátor ................................................................................... 150 9.2.3 Turbosteamer ....................................................................................................... 151 9.2.4 Exhaust Heat Recovery ........................................................................................ 152 Použitá literatura ................................................................................................................... 153

7

Výroba biopaliv

Výroba fosilních paliv

Ustálená koncentrace CO2 Pohlcení CO2

*(+ CO2 Produkce CO2 , - zásoba

! zásoba

2

2

Vedlejší '&(

"# $

Výroba

./!

Výroba

Skladování

Skladování

Vedlejší '&(

Konverze ve &

Konverze ve & % # &

% # &

)!& (

)!& (

Knižní publikace je určena studentům vysokých, vyšších odborných a středních škol se zaměřením na automobilovou dopravu. Dále je publikace určena odborné veřejnosti a všem zájemcům o alternativní pohony motorových vozidel. Publikace seznamuje čtenáře s motory speciální konstrukce jako je spalovací turbína, Stirlingův motor, Wankelův motor a parní motor. Kromě toho jsou uvedeny vozidla na elektrický pohon, hybridní vozidla a vozidla s palivovým článkem. Na tuto část navazuje kapitola zaměřená na problematiku využití plynných paliv ve vozidlech. V publikaci jsou také uvedeny alternativní paliva biologického původu a navazující problematika hodnocení jednotlivých alternativních pohonů. Závěrečná kapitola je zaměřena na budoucí možnosti získávání další energie ve vozidlech představovaná solární energií a energií odpadního tepla. Autor by závěrem rád poděkoval svým spolupracovníkům z Katedry vozidel a pozemní dopravy a všem ostatním, kteří se nemalou měrou podíleli na vzniku této publikace. V Praze 11. 5. 2012 Autor

9

1.Úvod Automobilová doprava se stala fenoménem 20. a 21. století. Vynález automobilu a potažmo spalovacího motoru lze považovat za jeden z největších vynálezů, který ovlivnil vývoj moderní společnosti. S narůstajícím počtem automobilů však rychle rostou negativní aspekty spojené s provozem motorových vozidel, které vedou ke snaze nalézt alternativní možnosti pohonů motorových vozidel s menšími negativními aspekty. V současné době představuje největší problém produkce oxidu uhličitého a s tím spojená spotřeba fosilních paliv. Další významný problém je spojený s produkcí škodlivých emisí. Závažnost tohoto problému s rostoucím zdokonalováním konvenčních spalovacích motorů a zejména jejich systémů upravující výfukové plyny klesá. Dominantním důvodem proč tedy hledat alternativní možnosti provozu motorových vozidel zůstává produkce oxidu uhličitého a spotřeba fosilních paliv. Mezi alternativní pohony vozidel lze zahrnout všechny koncepce pohonů lišící se od konvenčního způsobu pohonu. Z historického hlediska lze mezi první alternativní pohony zahrnout elektrovozidla, i když důvod jejich vyžívání byl odlišný. Vzhledem k jednoduché konstrukci elektrovozidel, lehké obsluze a nenáročného startování byly elektrovozidla na konci 19. století oblíbenější než vozidla s klasickým spalovacím motorem. V roce 1900 se v USA dokonce vyrobilo o třetinu více vozidel s elektrickým pohonem než vozidel se spalovacím motorem. Další směr v alternativních pohonech byl zaměřen spalovací motory speciální konstrukce. Mezi tyto motory je možné zahrnout spalovací turbínu, Stirlingův motor a Wankelův motor. V 90. letech minulého století se také objevuje snaha o renesanci parního motoru. Samostatnou kapitolu tvoří alternativní paliva v dnešní době představovaná převážně biopalivy. Tyto paliva jsou známá od začátku uvedení spalovacích motorů. Není tajemstvím, že první spalovací motory využívaly, jako zdroj energie, převážně plynná paliva. První použití biopaliv je spojeno s bioethanolem, který se ve 30. letech minulého století vyráběl téměř v každé větší vesnici. Vstupní zdroj biomasy tvořily přebytky z agrárního sektoru.

1.1 Problemaka produkce oxidu uhličitého Koncentrace oxidu uhličitého se z období před začátkem průmyslové revoluce (přibližně polovina 18. století) zvýšila z původních 280 ppm na dnešních 387 ppm. Tento nárůst je zapříčiněn převážně spalováním fosilních paliv, odlesňováním, kácením pralesů, změnou využívání půdy (přeměnou pastvin na ornou půdu) a další lidskou činností. Kromě oxidu uhličitého se na skleníkovém efektu podílí i řada dalších plynů. Jejich koncentrace je výrazně nižší, za to jejich faktor vyjadřující násobnost účinku oproti oxidu uhličitému je vysoký. Koncentrace metanu vzrostla z původních 700 na nynějších 1800 ppb (par per bilion, koncentrace vyjadřující podíl v částech z jedné miliardy), koncentrace oxidu dusného z 270 na 320 ppb a koncentrace troposférického ozonu z 25 na 34 ppb. Ekvivalent vyjádřený v násobcích účinku daného plynu oproti oxidu uhličitého dosahuje u metanu hodnotu 23, u oxidu dusného 296 a u troposférického ozónu více jak 2000 [1]. Následující obr. 1.1 znázorňuje podíl jednotlivých látek na skleníkovém efektu. Podíl jednotlivých látek je vyjádřen pomocí ekvivalentu vztaženého na oxid uhličitý. Obr. 1.2 znázorňuje podíl jednotlivých lidských činností na skleníkovém efektu.

11

1 :\ Úvod >

Proti klasické teorii škodlivosti oxidu uhličitého a jeho vlivu na skleníkový efekt vystupuje řada skeptiků, které podporuje řada výzkumných projektů, jež shodně uvádějí, že největší podíl na skleníkovém efektu má vodní pára a její schopnost vytvářet radiační clonu [2].

2,80%

odpadní technologie; 2,80%

1,10% 7,90%

14,30%

56,60%

energií; 29,90% doprava; 13,10%

17,30%

Obr. 1.1 Podíl jednotlivých plynů na skleníkovém efektu

lesnictví; 14,40% !! 13,50% " 19,40%

stavebnictví; 7,90%

Obr. 1.2 Podíl lidské činnos na skleníkovém efektu

European Environment Agency ve své zprávě z roku 2010 uvádí, že produkce oxidu uhličitého ve většině odvětví lidské činnosti mírně klesla nebo zaznamenala stagnaci. Na rozdíl od toho dopravní sektor zaznamenal vysoký nárůst. V letech 1990–2007 doprava zaznamenala nárůst v produkci oxidu uhličitého o 28 % ve všech členských státech European Environment Agency. Doprava tak do budoucna představuje jednu z nejproblematičtějších oblastí z pohledu produkce oxidu uhličitého [3]. Nejvýznamnější celosvětová snaha o snížení produkce oxidu uhličitého je představována Kjótským protokolem, který byl přijat v roce 1997 jako protokol k Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu. V Kjótském protokolu se průmyslově vyspělé státy zavázaly ke snížení skleníkových plynů o 5,2 % v kontrolním období 2008–2012 ve srovnání se stavem v roce 1990. Úhrnné redukce emisí o 5,2 % mělo být dosaženo diferencovaným snížením, které je uvedeno v dodatku protokolu. Procentuální změna produkce skleníkových plynů pro jednotlivé státy úmluvy je uvedena v tab. 1. Redukce skleníkových plynů se týkala šesti nejpodstatnějších, oxidu uhličitého (CO2), metanu (CH4), oxidu dusného (N2O), hydrogenovaných fluorovodíku (HFCs), polyfluorovodíku (PFCs) a fluoridu sírového (SF6), vyjádřených ve formě ekvivalentu CO2 (tzv. uhlíkový ekvivalent) antropogenních emisí. Kromě emisí skleníkových plynů bere Protokol v úvahu i jejich propady, tj. absorpci vyvolanou změnami ve využívání krajiny (zalesňování, péče o lesní porosty, resp. odlesňování). Součástí Protokolu jsou tzv. flexibilní mechanismy, které umožňují průmyslovým státům, aby snížily emise na území jiného státu nebo odkoupily od jiného státu právo vypouštět skleníkové plyny. Jsou jimi: obchodování s emisemi (Emission Trading, ET), společně zavaděná opatření (Joint Implementation, JI), mechanismus čistého rozvoje (Clean Development Mechanism, CDM).

12

Problematika produkce oxidu uhličitého >

Českou republikou byl Protokol podepsán 23. 11. 1998 na základě usnesení vlády č. 669/1998 a ratifikován 15. 11. 2001 (č. 81/2005 Sb. m. s.). Protokol má ke dni 6. 11. 2009 celkem 190 smluvních stran. Země přílohy I Úmluvy se na celkových emisích podílejí 63,7 % [4]. Tab. 1 Procentuální změna produkce skleníkových plynů pro jednotlivé státy úmluvy Austrálie

108

Monako

92

Belgie

92

Německo

92

Bulharsko

92

Nizozemsko

92

Česká republika

92

Norsko

101

Dánsko

92

Nový Zéland

100

Estonsko

92

Polsko

94

Evropské společenství

92

Portugalsko

92

Finsko

92

Rakousko

92

Francie

92

Rumunsko

92

Chorvatsko

95

Ruská federace

100

Irsko

92

Řecko

92

Island

110

Slovensko

92

Itálie

92

Slovinsko

92

Japonsko

94

92

Kanada

94

Spojené království Velké Británie a Severního Irska

Lichtenštejnsko

92

Spojené státy americké

93

Litva

92

Španělsko

92

Lotyšsko

92

Švédsko

92

Lucembursko

92

Švýcarsko

92

Maďarsko

94

Ukrajina

100

Základní problém Kjótského protokolu byl spojený s odmítnutím ratifikace smlouvy Spojenými státy americkými. Kjótský protokol i přesto vyšel v platnost (podmínkou byla ratifikace alespoň 55 státy a tolika státy, aby jejich podíl na skleníkových plynech dosahoval alespoň 55 % produkce států Dodatku I) zejména po ratifikaci Ruskou federací. Kjótský protokol, přes odmítnutí některými státy nesplnil dosažení cíle snížení produkce skleníkových plynů o 5,2 % s rokem 1990, přesto jej lze považovat za úspěšný projekt. V současné době vrcholí snahy na přípravě nástupce Kjótského protokolu. Zatím poslední jednání ohledně nového protokolu byla uskutečněna na klimatologickém kongresu v jihoafrickém Durbanu. Nový protokol by měl zahrnovat i produkci skleníkových plynů z rychle rostoucích ekonomik, jako jsou Čína a Indie. K připravovanému protokolu by se měly připojit i Spojené státy americké. Platnost nového protokolu je plánovaná na rok 2015.

13

1 :\ Úvod >

1.2 Spotřeba fosilních paliv ropa; 34% uhlí; 26%

Možnost brzkého vyčerpání zásob fosilních paliv představuje jeden z hlavních důvodů proč podporovat alternativní pohony. Mezi nejdůležitější fosilní paliva patří ropa, zemní plyn a uhlí. Tyto paliva tvoří největší zdroje pokrývající spotřebu energie. Podíl jednotlivých zdrojů energie je uveden na obr. 1.3.

zemní plyn; 17%

vodní energie; 5,50%

jaderná energie; 3,30%

Obr. 1.3 Podíl jednotlivých zdrojů energie na celosvětové spotřebě energie

Ropa V současné době představuje ropa největší zdroj energie, který se využívá ve většině odvětví lidské společnosti. Ropa vznikla anaerobní fermentací odumřelých bakterií a řas přibližně v jurském období. Mezi základní technologické charakteristiky ropy patří hustota stanovená při teplotě 20 °C a při normálním atmosférickém tlaku. V závislosti na obsahu rozpuštěných látek se pohybuje v rozmezí od 0,6–0,85 g/cm³ pro lehké ropy, 0,85–0,93 g/cm³ pro středně těžké až 0,93–1,05 a víc g/cm³ pro velmi těžké ropy. Pro měření objemu ropy se používá míry 1 barel = 42 amerických galonů = 35 britských galonů = 158,97 litrů. Jeden barel ropy tak v závislosti na druhu ropy váží od 96,972 kg do 166,92 kg. Množství ropy se také někdy udává v tunách, jedna tuna ropy tak odpovídá přibližně 6–10,32 barelům. Přibližnou představu o složení ropy dávají následující hmotnostní podíly, uhlík 84–87 %, vodík 11–14 %, kyslík až 1 %, síra až 4 %, dusík až 1 %. Bez ohledu na nové objevy je jasné, že fosilní paliva nejsou nevyčerpatelná a také, že zejména ropa se spotřebovává mnohem větší rychlostí, než s jakou se v přírodě vytváří. Poptávka po ropě neustále roste nehledě na její vyšší ceny. Zvýšená poptávka je způsobena zejména vzestupem ekonomiky v rozvojových zemích. Zvyšující se poptávka po ropě vede ke zmenšení její zásoby. Vyhlídky však nejsou tak chmurné, jak se může zdát. Někteří odborníci odhadli, že ověřené zásoby ropy reprezentují jen jednu třetinu skutečných zásob skrytých pod zemí. Pomocí nových technologií bude možné podstatně zvýšit odhad zásob, které lze ekonomicky těžit. Počátkem 90. let tohoto století američtí vědci vyvinuli techniku zvanou „chemické zaplavování“, která umožňuje získávat ropu z existujících nalezišť. Tato technika spočívá ve vyplavení ropy z hornin použitím chemikálie podobné saponátu. Používání této techniky bylo v minulosti omezeno pro vysokou cenu této chemikálie. Vědci ale nyní tvrdí, že nalezli levný proces, který využívá vedlejších produktů vznikajících při výrobě papíru. Vědci se domnívají, že díky této technice se mohou zvýšit potenciální zásoby USA téměř šestinásobně. Také podzemními výbuchy lze zvýšit hranici, která určuje množství ropy vyčerpatelné z vrtu. Podzemními výbuchy se totiž rozvolňuje hornina, jejíž dutinky jsou naplněny ropou, a ta může lépe téci k čerpacímu vrtu. Ostatní zdroje ropy zahrnují asfaltové písky, což jsou horniny nasycené lepkavou ropou. Získávání ropy z těchto písků je

14

Spotřeba fosilních paliv >

mb/d

však velmi nákladné. Jiným zdro100 #$ jem ropy je skupina hornin zvaná !& !# 80 břidlice, které jsou bohaté na lát!&$ ' () ku zvanou kerogen, z níž lze zís60 !&!& ' kávat volnou ropu. Odhad světové ' () 40 produkce ropy z různých nalezišť !&$'' ' je uveden na obr. 1.4. Podle Inter20 national Energy Agency lze ropná 0 naleziště rozdělit na nekonvenční 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 ropné zdroje; těžbu zkapalněného zemního plynu; těžbu z dosud neObr. 1.4 Odhad světové produkce ropy z různých nalezišť [5] objevených nalezišť; těžbu z nalezišť, která jsou v současnosti známá, ale nejsou roztěžena; těžba ze stávajících ropných polí. Uhlí Uhlí je druhým nejvýznamnějším zdrojem energie. Jedná se o hořlavou horninu vzniklou v průběhu desítek až stovek miliónů let složitými anaerobními procesy. Většina světových zásob uhlí se začala tvořit v období karbonu, geologické epoše, která začala před 360 milióny let a skončila před 286 milióny let. Původce uhlí tvoří převážně stromové přesličky, plavuně, kapradiny, u hnědého uhlí pak také jehličnaté a listnaté stromy, které se pozvolným uhelnatěním v močálech přeměňovaly na uhelnatou horninu. Uhlí lze rozdělit na: • Lignit – také označovaný jako hnědé uhlí, je to nejméně kvalitní druh uhlí. Užívá se výhradně pro výrobu elektřiny nebo výrobu technologického tepla. Leštěné bylo využíváno jako ozdobný kámen od doby železné. Je třetihorního původu. • Hnědé uhlí – používá se k vytápění domácností nebo k výrobě tepla a elektřiny • Hnědo-černé – jeho vlastnosti spadají mezi hnědé a černé uhlí. Využívá se pro výrobu elektřiny, tepla a chemickou výrobu • Černé uhlí – má vysokou hustotu, jeho barva je obvykle černá až hnědočerná. Uhlí je prvohorního a druhohorního původu. Vzniká rozkladem a prouhelňováním vyhynulých stromových plavuní, které se propadly do bažin (období perm). • Antracit – jde o nejkvalitnější uhlí, používá se na vytápění a k výrobě chemikálií. Jak je uvedeno výše převážné využití uhlí je v současné době spojenu s výrobou elektrické energie, případně tepla. V období druhé světové války tvořilo uhlí základ výroby kapalných uhlovodíkových paliv jako je automobilový benzín a motorová nafta. Nejčastější technologický proces využívaný pro tuto výrobu je označován za Fischer-Tropschovu syntézu. Tato technologie se opět vrací do popředí zájmů odborné veřejnosti zejména z důvodů využití této technologie k výrobě biopaliv II. generace. Výroba kapalných paliv z uhlí je v současné době ekonomicky nevýhodná a její opětovné využití nelze očekávat. Zemní plyn Zemní plyn je nejméně zastoupeným zdrojem fosilních paliv. Jeho hlavní složkou je metan (obvykle přes 90 %) a etan (1–6 %). Nachází se v podzemí buď samostatně, společně s ropou nebo černým uhlím. Díky vysokému obsahu metanu vzniká při jeho spalování méně oxidu uhličitého než při spalování ropy nebo uhlí. O vzniku zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou nebo s uhlím, přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji

15

1 :\ Úvod >

k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky. Druhá teorie předpokládá vznik zemního plynu řadou chemických reakcí z anorganických látek. Zásoby zemního plynu se odhadují přibližně na 200 let. Z fosilních paliv tato zásoba představuje nejdelší dobu. U ropy se zásoby odhadují na 50–100 let u uhlí na 100–150 let. Prokázané zásoby zemního plynu podle jednotlivých kontinentů jsou uvedeny na obr. 1.5.

Obr. 1.5 Prokázané zásoby zemního plynu v jednotlivých světových regionech (v bilionech m3) [6]

1.3 Produkce škodlivých emisí Produkce škodlivých emisí je dalším důvodem, který vede k hledání nových alternativních způsobů pohonu vozidel. Mezi základní škodliviny vypouštěné motorovými vozidly patří oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NOx a pevné částice PM. Základní charakteristika jednotlivých škodlivých emisí je uvedena níže. Oxid uhelnatý (carbon monoxide) Pro lidský organizmus je jedovatý. S krevním barvivem vytváří velmi pevný karboxyhemoglobin (200krát raději se váže na hemoglobin než kyslík) [7], který omezuje přenos kyslíku z plic do krevního oběhu. Tím jsou jednotlivé orgány poškozovány nedostatkem kyslíku, i když by tento byl obsažen ve vdechovaném vzduchu v dostatečném množství. Oxid uhelnatý se dále podílí na vzniku fotochemického (letního) smogu. Celková roční emise CO z antropogenních zdrojů je řádově srovnatelná s přírodními emisemi [7] a [8]. Oxidy dusíku (nitrogen oxide) Přímá škodlivost oxidu dusnatého na živý organizmus je vcelku nízká. Při dalším pobytu v atmosféře dochází k jeho oxidaci na oxid dusičitý, jehož škodlivost je klasifikována jako závažnější. Při vdechování se na stěnách sliznice tvoří kyselina dusičná (HNO3). Dýchací soustava reaguje na vdechování HNO3 jako na začínající hoření a automaticky přivírá přístup vzduchu do plic. Důsledkem toho je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento nežádoucí jev nastává již při velmi nízkých koncentracích, resp. při krátkých expozičních dobách [9].

16

Produkce škodlivých emisí >

Oxidy dusíku se významně podílejí na tvorbě letního smogu. Spolupodílejí se též na tvorbě kyselých dešťů. Nespálené uhlovodíky (hydrocarbon) Nespálenými uhlovodíky jsou směsi různých skupin uhlovodíků, které vstupují jako palivo do oxidačního procesu nebo vznikají v průběhu spalování paliva ve válci motoru. Nejmenší škodlivost obvykle mají některé původní skupiny uhlovodíkového paliva, větší škodlivost (někdy až extrémní) vykazují potom ty druhy uhlovodíků, které vznikají jako meziprodukty oxidace původní uhlovodíkové molekuly, u kterých vlivem různých okolností proběhne cyklus oxidačních reakcí pouze z části (např. účinkem ochlazení v blízkosti stěn válce). Některé meziprodukty oxidačních reakcí patří do skupiny rakovinotvorných látek a jejich škodlivost je potom navíc mimořádná ve spojení s další výfukovou škodlivinou, pevnými částicemi (nespálené uhlovodíky se zachycují na povrchu částic a vdechováním se tak dostávají do lidského organizmu velmi nebezpečné látky) [10]. Z plynných škodlivin se z celé škály nespálených či částečně zoxidovaných uhlovodíků považují za nejnebezpečnější polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), jejichž škodlivost je zesílena zmíněnou vazbou na povrch emitovaných pevných částic. Nejznámější polycyklický aromatický uhlovodík je benzo[a]pyren, u něhož byly karcinogenní účinky prokázány nejdříve. Mezi polycyklické aromatické uhlovodíky emitované spalovacími motory patří také benz[a] anthracen, benzo[b]fluoranthen, benzo[j]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen a dibenzo[a,h]anthracen [11]. Škodlivost jednotlivých polycyklických aromatických uhlovodíků je různá. Pro porovnání souhrnné škodlivosti všech složek PAH se používá přepočet škodlivosti na nejznámější sloučeninu benzo[a]pyren [12]. S rostoucími znalostmi o škodlivosti polycyklických aromatických uhlovodíků lze očekávat, že se do budoucna stanou samostatnou položkou legislativně omezených škodlivin [11], [12] a [13]. Oxidy síry (sulphur oxide) Jsou produkovány především vznětovými motory. Podíl emisí oxidů síry, plynoucích ze spalovacích motorů, je na celkovou produkci zanedbatelný. Protože obsah síry v motorové naftě neustále klesá, klesají i emise plynoucí ze spalovacích motorů. Pevné částice (particulate matter) Vznikají převážně u vznětových motorů. Obsahují primární uhlík, organický uhlík a malé množství sulfátu, dusíku, vody a další neidentifikovatelné složky. Obsah základního uhlíku se blíží k 75 %. Nicméně složení je závislé na typu motoru a na dodatečných zařízeních, např. filtru pevných částic. Jádro částic se skládá z pevného uhlíku a popele. Organické a sulfátové směsi a další prvky jsou sorbované na povrch jádra během koagulace, adsorpce a kondenzace částic. Krátkodobá expozice může způsobit podráždění oka, jícnu, průdušek, neurofyziologické symptomy, např. nucení ke zvracení a dýchací potíže (dušnost). Chronická expozice může způsobit zánět a histopatologické změny v plicích. Odhad takzvané referenční koncentrace, která nezpůsobuje rakovinotvorný efekt po dlouhou dobu expozice, je 5 μg·m-3 [14]. Částice v ovzduší se nacházejí v různých velikostech. Velké částice jsou odstraněny například polykáním nebo jsou zachyceny v horních cestách dýchacích. Menší částice, zvláště pod 0,1 μm, mohou dosáhnout povrchu plic. Tyto částice mohou být odstraněny při čistění plicních sklípků, ale mohou být také unášeny do lymfatického systému a možná dále až do krve. Nejmenší částice

17

* 1 :\ Úvod >

o velikosti 1 nm mohou hrát důležitou roli v toxicitě okolních částic. Pevné částice jsou velmi malé částice co do velikosti, většina částic je menších než 1 μm a více než 90 % může být ultra malých < 0,1 μm. V některých případech se vyskytují částice menší než 50 nm. Částice mají velký povrch, který může adsorbovat různorodé směsi, které mohou být toxické, mutagenní a karcinogenní, např. benzo[a]pyren [15].

18

2.Spalovací motory speciální konstrukce V této kapitolu budou probrány čtyři nejznámější spalovací motory speciální konstrukce. První je spalovací turbína, následuje Stirlingův motor, pokračuje Wankelův motor a speciální parní motor.

2.1 Spalovací turbína Princip práce je patrný ze schématu na obr. 2.1. Po dosažení startovacích otáček, v okamžiku kdy již kompresor dodává dostatečné množství vzduchu, je soustavou trysek rozprášeno do spalovací komory palivo a současně zapnuty zapalovací svíčky, které směs paliva se vzduchem zažehnou. Hoření směsi paliva se vzduchem spalovací probíhá ve spalovací komoře prakticky za konkomora palivo stantního tlaku. Spaliny jsou vedeny do rozvávýstupní děcího ústrojí turbíny, kde v důsledku expanvýkon ze dochází k nárůstu rychlosti proudu plynů vzduch a současně je proud spalin vhodně usměrňokompresor turbína ván na lopatky rotoru turbíny. Tato turbína je spojena hřídelí s kompresorem, který dodává do spalovací komory vzduch pod požadovaným výfuk tlakem. Tlak vyvinutý kompresorem zajistí průtok vzduchu a spalin spalovací komorou a dále Obr. 2.1 Princip práce spalovací turbíny [16] pak turbínou. Pokud budeme odebírat výkon pro pohon vozidla z hřídele turbíny, bude docházet při nárůstu zatížení k poklesu otáček rotoru, a tedy i otáček kompresoru, což povede ke snížení tlaku a množství vzduchu dodávaného do spalovací komory. Točivý moment vyvíjený turbínou poklesne (obr. 2.2). Z tohoto důvodu se u vozidlových turbín používá dvouhřídelové uspořádání (výstupní turbína se skládá ze dvou turbín), kde výkon potřebný pro pohon vozidla je odebírán z hřídele samostatné turbíny. V tomto případě je první turbína dimenzována pouze pro pohon kompresoru a spaliny z jejího výstupu jsou vedeny na vstup druhé turbíny. Při nárůstu zatížení druhé turbíny dochází taktéž k poklesu jejích otáček. Avšak otáčky první turbíny se nemění a kompresor poháněný touto turbínou dodává do spalovací komory stále stejné množství vzduchu. Při stejném množství paliva dodávaného do spalovací komory je i energie přiváděná na lopatky druhé turbíny stejná. V důsledku snížení otáček rotoru druhé turbíny se síla od proudu plynů působící na lopatky rotoru turbíny zvyšuje, a tím roste i točivý moment vyvíjený druhou turbínou. Čím větší je pokles otáček, tím větší je i nárůst točivého momentu (obr. 2.3). Takovýto průběh točivého momentu je pro vozidlový motor velmi výhodný, protože při podstatně lepší akceleraci vozidla umožňuje snížení počtu převodových stupňů. U dvouhřídelových

19

2 :\ Spalovací motory speciální konstrukce >

spalovacích turbín vzroste točivý moment, v porovnání s momentem při jmenovitém režimu, 2 až 3krát, kdežto u nejlepšího přeplňovaného vznětového motoru pouze 1,5krát.

Obr. 2.2 Průběh točivého momentu jednohřídelové turbíny [17]

Obr. 2.3 Průběh točivého momentu dvouhřídelové turbíny [17]

Vedle nárůstu točivého momentu při poklesu otáček má spalovací turbína v porovnání s klasickým pístovým motorem i další výhody: • menší vibrace určované pouze rotačním pohybem, • výkonová hmotnost nižší asi o 15 %, • provoz bez chlazení za všech klimatických podmínek, • snadné spouštění za nízkých teplot včetně nižších nároků na startovací výkon, • menší spotřeba mazacího olej (0,07 až 0,14 [g·kWh-1]), která je v současné době asi 5krát nižší než u pístových spalovacích motorů, • menší obsah CO a HC ve spalinách, který je určován vysokým přebytkem vzduchu, při němž probíhá hoření paliva. Poznámka: Spalování ve spalovací komoře turbíny probíhá při λ rovno přibližně 1. Avšak vzhledem k tomu, že žáropevné materiály na bázi kobaltu a niklu snesou dlouhodobě teplotu pouze 1100 až 1150 °C je teplota spalin snižována přívodem sekundárního vzduchu, takže celková λ se pohybuje v rozmezí 3,5 až 5. Základní nevýhody spalovací turbíny jsou: • velká měrná efektivní spotřeba paliva, a tedy i malá ekonomičnost provozu, zejména při částečných zatíženích, • velký zástavbový prostor, který je vyvolán požadavkem na velké průtočné průřezy přívodu vzduchu a odvodu spalin, jakož i potřebou zástavby rozměrných výměníků tepla mezi spalinami a nasávaným vzduchem, zabezpečujícími zlepšení ekonomičnosti provozu vozidlové turbíny, • používání žáropevných slitin na lopatky a disky turbínových agregátů, • zvýšené požadavky na převody pro redukci otáček výstupního hřídele turbíny na otáčky vhodné pro převodovku vozidla, • nízká účinnost brzdění motorem, a tedy zvýšené nároky na brzdovou soustavu vozidla, • velká časová prodleva na změnu zatížení. Uvedené nevýhody spalovacích turbín vedou k tomu, že nejsou používány k pohonu automobilů (až na vzácné výjimky v podobě prototypů). Jejich uplatnění je zejména u letadel, lodí, vlaků a také u tanků.

20

Spalovací turbína >

2.1.1 P-V diagram a tepelná účinnost spalovací turbíny Tepelná účinnost, a tím i spotřeba paliva celé spalovací turbíny, je závislá na maximální přípustné pracovní teplotě (teplota na výstupu ze spalovací komory). Použitím vysokoteplotních kobaltových a niklových legur se spotřeba paliva výrazně snižuje. Další výrazné snížení spotřeby paliva se předpokládá od použití keramických materiálů, které by umožnily výrazné zvýšení pracovní teploty. Termodynamický proces spalovací turbíny je rovnotlaký (obr. 2.4). Skládá se z izoentropické komprese (1–2), izobarického přívodu tepla (2–3), izoentropické expanze (3–4) a izobarického odvodu tepla (4–1). Dobré termické účinnosti lze dosáhnout jen tehdy, uskutečňuje-li se přívod tepla při zvýšené teplotě z T2 na T2´ pomocí tepelného výměníku spojeným s odvodem tepla (4–4´). Takovýto termodynamický proces je znázorněn v T-s diagramu na obr. 2.5.

Obr. 2.4 P-V diagram spalovací turbíny [18]

Obr. 2.5 T-s diagram spalovací turbíny s výměníkem tepla [18]

Při dokonalé výměně tepla se redukuje hmotnostní jednotka přivedeného množství tepla na

(2.1)

a odvedeného tepla na

(2.2) Maximální tepelná účinnost spalovací turbíny s výměníkem tepla bude

(2.3)

21


zavedením poměrných tlaků ze stavových rovnic (vztah 2.4) a teploty T4 (vztah 2.5)

(2.4)

(2.5)

je teplená účinnost

(2.6)

nebo pomocí tlaků

(2.7)

Dnes vyráběné spalovací turbíny dosahují tepelné účinnosti až 35 %. Pro zvýšení tepelné účinnosti se používají tři základní prvky, které budou probrány v následující kapitole.

2.1.2 Zvýšení účinnos spalovací turbíny V současné době se ke zvýšení účinnosti spalovací turbíny používají tři prvky, které jsou: • regenerace, • mezichlazení stlačeného vzduchu, • dodatečné spalování. Regenerace Rekuperátor využívá odváděné teplo výfukem ke zvýšení teploty vzduchu vstupujícího do spalovací komory. Schéma spalovací turbíny s výměnkem tepla je znázorněno na obr. 2.6. Použitím výměníku tepla se tepelná účinnost zvýší o 5–6 %. Nevýhodou tohoto systému jsou vysoké pořizovací náklady tepelných výměníků, které musejí odolávat teplotě 1100 °C a relativně rozsáhlý

22

Spalovací turbína >

výfuk

zástavbový prostor rekuperátoru. Tento systém používá např. americký tank Abrams M1.

rekuperátor

Mezichlazení stlačeného vzduchu spalovací Další metodou vedoucí ke zvýšení účinnosti komora 3 2 spalovací turbíny je snížení odběru výkonu palivo 4 kompresorem. Kompresor je rozdělen na dva stupně, mezi které je zařazen chladič vzdukompresor 1. turbína 2. turbína chu. Na dva stupně je rozdělena taky turbína, 1 která pohání kompresory. Chlazení stlačené3’ sání ho vzduchu může být provedeno např. náporem okolního vzduchu nebo nejčastěji vodou u vodních plavidel. Schéma spalovací turbíny Obr. 2.6 Spalovací turbína s rekuperátorem [16] využívající dvoustupňový kompresor s mevzduch/voda zichlazením stlačeného vzduchu je znázorněno na obr. 2.7. 2 komora 3

výfuk

4

Dodatečné spalování LP HP HP LP Poslední možností zvýšení účinnosti je zvýkompresor kompresor turbína turbína turbína dvojitá šení spalovací teploty na co nejvyšší teplotu.

1 3’ Expandováním spalin na turbíně dochází k posání klesu jejich teploty, pracuje-li spalovací turbína s přebytkem vzduchu, je možné dohřívat ex- Obr. 2.7 Spalovací turbína s mezichlazením stlačepandované plyny dodatečnou dávkou paliva. ného vzduchu [16] Kontinuální dohřívání se pro technickou náročnost nepoužívá. V praxi je turbína rozdělena 2 komora 3 komora na dvě části a při průchodu spalin z jedné části výfuk 4 do druhé jsou spaliny opět ohřívány v přídavné LP HP spalovací komoře. Tímto způsobem je možHP LP kompresor kompresor turbína turbína turbína né zvýšit účinnost spalovací turbíny o 1–3 %. dvojitá

1 3’ Schéma spalovací turbíny s dodatečným spasání lováním je znázorněno na obr. 2.8.

2.1.3 Vozidla se spalovací turbínou

Obr. 2.8 Spalovací turbína s dodatečným spalováním [16]

V roce 1950 anglický konstruktér automobilky Rover F. R. Bell sestrojil první osobní automobil poháněný spalovací turbínou. Vozidlo bylo dvoumístné a spalovací turbína byla umístěna za sedačkami. Vzduch vstupoval po stranách vozidla a výfuk byl v horní části zádě vozidla. Maximální rychlosti byla 140 km·h-1 a maximální otáčky spalovací turbíny byly 50 000 ot·min-1. K pohonu turbíny bylo možné využít benzín, petrolej nebo naftu. Problém s vysokou spotřebou paliva vedl k tomu, že vozidlo nebylo sériově vyráběno a prototyp skončil v londýnském Science muzeum. Vozidlo Jet 1 je znázorněno na obr. 2.9. Dalším výrobcem automobilu se spalovací turbínou byla firma Fiat, která na turínském autosalonu 1954 vystavila studii sportovního vozu poháněného spalovací turbínou nazvanou Tur-

23


bina (obr. 2.10). Vývoj turbínového fiatu začal už v roce 1948 a poprvé byl vyzkoušen na oválu zkušební dráhy Lingotto v dubnu 1954. Motor měl dva turbínové kompresorové stupně a hnací turbínu s udávaným výkonem 221 kW (300 k) při 22 000 otáčkách za minutu. Výkon motoru se přiváděl přes redukční převodovku přímo na zadní kola. Díky skvělé aerodynamice byl vůz schopen dosáhnout rychlosti 250 km·h-1. Fiat Turbina měla trubkový rám a nezávislé zavěšení kol, odvozené od sportovního Fiatu 8 V. V důsledku vysoké spotřeby a trvalých problémů s přehříváním byl projekt po měsíci zkoušek ukončen. Dnes je tento zajímavý experimentální prototyp vystaven v turínském automobilovém muzeu. V USA se na vývoji vozidel se spalovací turbínou podílely firmy Generals Motors a Chrysler. Vozidlo Generals Motors mělo název Firebird a byly vyvinuty tři vývojové řady Firebird I, Firebird II a Firebird III. Vozidlo automobilky Chrysler bylo jako první vozidlo v roce 1963 vybavené i rekuperátorem ke zvýšení účinnosti spalovací turbíny. V roce 2000 byl představen první motocykl se spalovací turbínou. Výkon spalovací turbíny byl 283 kW. Maximální testovací rychlost byla 365 km·h-1. Motocykl je zapsán v Guinnessově knize rekordů jako nejrychlejší motocykl a také jako nejdražší motocykl, jeho cena je 185 000 $. Přes veškeré snahy konstruktérů se spalovací turbíny ve vozidlech neosvědčily a jejich použití v automobilech zůstává pouze historickou událostí.

Obr. 2.10 Vozidlo Turbina [19]

Obr. 2.9 Vozidlo Jet 1

2.2 Srlingův motor Stirlingův motor patří mezi motory tepelné. Vynalezl jej v roce 1816 skotský pastor Robert Stirling. Může být motorem spalovacím s vnějším spalováním nebo využívat tepelný rozdíl získaný jiným způsobem (geotermální energie, odpadní teplo, sluneční energie aj.). Pro pochopení základního principu je na obr. 2.11 uvedeno schéma staršího typu ležatého Stirlingova teplovzdušného motoru s přeháněčem a odděleným pracovním válcem.

24

Obr. 2.11 Ležatý Srlingův motor [20]

Stirlingův motor

>

Motor se skládá z dlouhého válce, v němž se s velkou vůlí pohybuje lehké duté uzavřené těleso, tzv. přeháněč. Jedna strana tohoto válce je ohřívána (např. ohněm), druhá je chlazená (např. vodou). Ve válci je uzavřeno jisté množství vzduchu. Pro začátek si představme, že má stejný tlak jako okolní vzduch. Nyní přesuneme přeháněč uvnitř válce směrem doprava. Téměř veškerý vzduch ve válci obteče přeháněč a nashromáždí se vlevo. Protože je tato část válce vyhřívána, ohřeje se i vzduch. Vzduch má snahu se rozpínat. Tím se zvýší jeho tlak. Vzduch o tomto vyšším tlaku je potrubím veden do pracovního válce, kde tlačí na píst a přes klikový mechanismus roztáčí setrvačník. Tím koná práci. Jenže na stejnou kliku je napojena ojnice pohybující přeháněčem. Ještě dříve, než píst pracovního válce dokončí zdvih a ocitne se ve spodní úvrati, přesune se přeháněč v ležatém válci vlevo. Tím odtud vytlačí horký vzduch. Ten obteče přeháněč doprava do studené části válce. Tam se ochladí, jeho tlak výrazně poklesne i pod úroveň okolního atmosferikého tlaku. V celém válci nastane podtlak. Podtlak se potrubím přenese i do pracovního válce a „nacucne“ píst zpět do válce. Tím se ovšem opět koná práce a roztáčí setrvačník. Jeden pracovní cyklus je dokončen. Setrvačník se však otáčí dál a přesouvá přeháněč opět doprava. Tím se studený vzduch dostává opět vlevo do ohřáté komory, ohřeje se a zvýší svůj tlak. To se stále periodicky opakuje a motor se trvale otáčí.

2.2.1 Historický vývoj Srlingova motoru Stirlingův motor se zrodil 27. 9. 1816, kdy si tento typ motoru nechal patentovat tehdy šestadvacetiletý skotský pastor Robert Stirling (1790–1878). Stalo se tak osm let před vydáním odborné práce Sadi Carnota „Úvahy o hnací síle ohně a strojích tuto sílu rozvíjet“. Jinak řečeno bylo to v době, kdy ještě neexistovala teorie tepelných motorů. Stirlingův patent však dokazuje, že si autor již tehdy plně uvědomoval všechny podmínky nezbytné k efektivní přeměně tepla v mechanickou práci. V roce 1818 postavil velký motor s výkonem 2 hp, aby čerpal vodu z kamenolomu v Ayrshire ve Skotsku a v letech 1827 a 1840 obdržel Robert Stirling ještě dva patenty (č. 5456 a 8652) na zdokonalené varianty svého stroje. Robert Stirling s teplovzdušnými motory, jak se jim tehdy říkalo, pracoval celý život. Na počest jejich duchovního otce nesou jeho jméno do dnešních dnů, kdy prožíváme jejich renesanci pro energetický sektor. V průběhu 19. století a na počátku 20. století se objevovaly nejrůznější aplikace Stirlingových motorů. Pumpovaly vodu pro dobytek na vyprahlém západě Spojených států, na železnicích, v dolech a dodávaly vodu bezpočtu sídlům a statkům. Malé Stirlingovy motory poháněly zubařské vrtačky, domácí ventilátory, šicí stroje atd. Velké typy byly používány k pohonu navijáků a v dalších průmyslových aplikacích. Používala se kapalná, pevná i plynná paliva. Mnohé z těchto motorů byly vyvinuty švédským vynálezcem Johnem Ericssonem, jehož nejznámějším projektem byla pancéřová bitevní loď Monitor z doby občanské války v USA. Ericsson postavil mnoho motorů založených na Stirlingově principu pro obchod, průmysl a zemědělství. Uvědomoval si výhody Stirlingova motoru a svými konstrukcemi předběhl svou dobu. Postavil například Stirlingův motor poháněný pouze sluneční energií. Stirlingův motor byl v 19. století limitován hlavně metalurgickými možnostmi své doby. Právě z těchto důvodů a z důvodu vyšší hmotnosti byl nakonec vytlačen nově vyvinutými spalovacími motory a elektromotory. Stirlingův motor byl téměř zapomenut až do 20. let minulého století. Zájem o tento typ motoru znovu podnítil až v roce 1938 N. V. Philips z Nizozemí, když začal s vývojem malého Stirlingova motoru s výkonem 200 W. Philips, výrobce dobře známých stolních radiopřijímačů, používal tento motor jako kompaktní tichý zdroj energie, který na rozdíl od zážehových motorů nepoužívá zapalovací svíčky, a tudíž nevytváří interferenci radiových vln. Při hledání

25


možností, jak zvýšit měrný výkon a účinnost zjistil, že plyny s nižší molekulovou hmotností, jako helium či vodík, jsou výhodnější než vzduch. Rychlý rozvoj technologie výroby materiálů, který nastal v padesátých letech minulého století, otevřel nové perspektivy i pro Stirlingův motor. V roce 1968 švédská FFV Group vytvořila joint venture s dalšími švédskými společnostmi, aby prozkoumaly možnosti vývoje zdokonalené sériové verze moderního Stirlingova motoru. Tato nová joint venture dostala jméno United Stirling. K tomuto kroku přispěla velkým dílem hlavně blížící se ropná krize, která vyvolala snahu používat do motorových vozidel jiná paliva, než je benzín či nafta. Za použití licence N. V. Philipse začala tato společnost s vývojem motoru o výkonu 200 hp, určeného pro městské autobusy, terénní vozidla a ponorky. V průběhu let 1969–1970 Philips vyvinul pohonnou jednotku s rombickým mechanismem pro městský autobus. Motor byl čtyřválec se zdvihovým objemem 235 cm3 na každý válec a při středním tlaku 22 MPa a 3000 min-1 dosahoval 200 koňských sil (hp). Motor však při tak vysokém tlaku neskýtal předpoklad dosažení očekávané životnosti. United Stirling se proto rozhodl vyvinout svůj vlastní motor s označením 4-65 (obr. 2.12). Tento motor dosahoval stejného výkonu jako motor Philips už při 15 MPa a otáčkách 1500 ot·min-1. Následovaly další verze společného vývoje Philips a United Stirling s cílem minimalizovat výrobní náklady. Podrobným výpočtem se nakonec ukázalo, že i v sérii 10 000 ks ročně bude cena stále 2,5krát vyšší než stejně výkonný vznětový motor, a to z důvodu značné komplikovanosti motoru. V 70. letech 20. století United Stirling intenzivně pracoval na vývoji pohonné jednotky pro osobní automobily. Obr. 2.12 Srlingův motor Philips 4-65 Po zkušenostech s problematickou výrobou motorů řady [21] 4-615 se rozhodl pro tento účel použít konstrukci motoru Philips 4-65 s naklápěcí deskou. Tento motor prošel dlouhým vývojem, který byl směřován do použití v osobních automobilech. Jeden z následných typů V4X2 (obr. 2.13) byl roce 1974 zastavěn do osobního vozidla Ford Pinto s automatickou převodovkou a předveden představitelům společnosti Ford. Vůz přesvědčil komfortem a tichostí jízdy, avšak do výroby se nedostal. Vývoj dále pokračoval až do finálního typu V4X35, který byl v roce 1974 zastavěn do vozu Ford Taurus s manuální převodovkou, což se později ukázalo jako problém, protože největší slabinou Stirlingova motoru je právě rychlá změna výkonu, kterou manuální převodovka vyžaduje mnohem více než automatická. Přes uspokojivé jízdní zkoušky v rozsahu 10 000 km a splnění veškerých požadavků na akceleraci i deceleraci (90 % výkonu za 0,5 s) nebyla sériová výroba nikdy zahájena z důvodů ceny pohonné jednotky, kterou značně prodražil právě systém regulace výkonu.

2.2.2 Princip funkce současného Srlingova motoru Obr. 2.13 Stirlingův motor V4X2 [21]

26

Ideální oběh Stirlingovava motoru je tvořen dvěma ději izochorickými a dvěma izotermickými. Neuvažujeme reálnou kinematiku mechanismu ani nevyužité (škodné) objemy „H“, chladiče „C“ a regenerátoru „R“. Oběh je znázorněn na obr. 2.14 a dále v p-V diagramu na obr. 2.15 a T-s diagramu na obr. 2.16.

Stirlingův motor

>

Oběh začíná v bodě 1, kdy je teoreticky veškeré plynné médium při maximálním objemu přemístěno do chlazené části motoru. Při kompresi 1–2 se pohybuje pouze kompresní píst (v chladném válci) a pomocí chladiče „C“ je v tomto prostoru udržována stále konstantní teplota Tmin. Práce se přitom spotřebovává a teplo se odvádí. V bodě 2 je dosaženo minimálního objemu. Dále dochází k přemístění tohoto objemu bez jeho změny do ohřívané části, což reprezentuje změna 2–3, kde dochází k ohřevu na maximální teplotu Tmax. Pak objem plynu v horkém válci expanduje opět za konstantní teploty (teplo je v průběhu expanze stále dodáváno) a koná se práce. Na konci pracovního zdvihu je tedy ve válci stále stejná teplota a pro uzavření oběhu je třeba teplo z plynu odvést, což reprezentuje změna 4–1. Plyn je za konstantního objemu přemístěn zpět do chladného válce. Podstatné je, že mezi oběma prostory je umístěn regenerátor „R“ (nádoba vyplněná porézní náplní), v němž se při přechodu z horkého Obr. 2.14 Pracovní fáze Stirlingova do studeného prostoru teplo odevzdává a je opět přiváděno motoru [21] při příští změně 2–3. Regenerátor tedy zvyšuje termickou účinnost stroje a při 100 % účinnosti regenerace bude mít Stirlingův oběh při daných teplotách stejnou termickou účinnost jako Carnotův oběh, jehož účinnost je dána vztahem

(2.8)

Pro co možná nejlepší účinnost motoru by tedy měla být, stejně jako u všech tepelných strojů, teplota Tmin co nejnižší (omezení teplotou chladicího média) a Tmax co nejvyšší (omezení materiálovými vlastnostmi ohříváku). Reálná účinnost Stirlingova motoru je snížena díky nemožnosti dosáhnout teoretické kinematiky, škodným objemům ohříváku, chladiče a regenerátoru, jejich tlakovým ztrátám při průtoku pracovního plynu (hlavně regenerátor) a nežádoucímu odvodu tepla do okolí.

Obr. 2.15 P-V diagram Srlingova motoru

Obr. 2.16 T-s diagram Srlingova motoru

27


V případě použití spalování jako zdroje vstupního tepla je třeba počítat i s jistou účinností přestupu tepla do žárové hlavy. Tato účinnost dosahuje maximálně 90–92 % i při použití špičkového rekuperačního výměníku, který předehřívá spalovací vzduch spalinami po průchodu žárovou hlavou. Celkově lze říci, že motor, který při daných teplotách Tmin a Tmax dosáhne 0,4 ηt a více, lze považovat za technologicky vyspělý.

2.2.3 Modifikace Srlingova motoru Z KONSTRUKČNÍHO HLEDISKA lze všechny konstrukce Stirlingových motorů přiřadit jedné ze tří modifikací α, β nebo γ. α-modifikace (obr. 2.17) se vyznačuje umístěním chladiče, regenerátoru a ohříváku mezi dvěma válci, horkým a studeným. Někdy se označují jako expanzní a kompresní, ale názvosloví není ještě ustáleno. Typickým představitelem jednočinné α-modifikace je pohonná jednotka firmy SOLO Stirling GmbH. Je možno se setkat i s dvojčinným provedením, kdy je zapotřebí mít alespoň čtyři válce, v nichž se pohybují čtyři písty. Prostor nad písty je ohříván a prostor pod písty je chlazen, přičemž studený prostor s horkým prostorem sousedního válce jsou propojeny (např. 4-65 – Philips, V4X – United Stirling, SES, STM, Kockums). Toto provedení značně snižuje měrnou hmotnost na jednotku výkonu, a proto je nejrozšířenější konstrukční variantou Stirlingových motorů). β-modifikace se vyznačuje tím, že v jednom válci se pohybují oba písty, které se v tomto případě označují jako pracovní, neboť koná práci, a přemísťovací, který u této modifikace slouží pouze Obr. 2.17 α-modifikace Srlin- pro přemísťování pracovního plynu z prostoru horkého do studegova motoru [21] ného a naopak. Chceme-li však docílit netlakové skříně, přináší řešení nutného dvojitého těsnění pístních tyčí značné komplikace, neboť pístní tyč přemísťovacího pístu prochází dutou pístní tyčí pístu pracovního (např. GM Allison PD-46). β-modifikace Stirlingova motoru je znázorněna na obr. 2.18. Motory γ-modifikace mají také dva písty, přemísťovací a pracovní, ale každý z nich se pohybuje ve vlastním válci. Jejich charakteristickou vlastností je, že ani teoreticky nemůže nastat situace, kdy je objem chladného prostoru nulový. Tato modifikace se omezuje na modely a velmi malé motory do výkonu v řádech stovek wattů. γ -modifikace Stirlingova motoru je znázorněna na obr. 2.19.

2.2.4 Aplikace Srlingova motoru

Obr. 2.18 β-modifikace Srlingova motoru [21]

28

Obr. 2.19 γ-modifikace Srlingova motoru [59]

Současné aplikace, používající Stirlingův motor, směřují především k výrobě elektrické, popř. i tepelné energie. Technologie Stirlingova motoru je v této oblasti bezesporu velice slibná, ale aplikace, ve kterých je vhodné Stirlingův motor používat, je třeba volit velice uvážlivě. Stirlingův motor není zázračný stroj, jak o něm mnoho lidí mluví, ale jako každé jiné strojní zařízení má

Stirlingův motor

>

svá omezení a rozsah nasazení. Největším současným konkurentem je běžný spalovací motor. Z dosavadních zkušeností a analýz vyplývá, že výrobní náklady Stirlingova motoru pro spalovací aplikace budou 2–3krát vyšší než u stejně výkonného motoru s vnitřním spalováním i při výrobě v řádech tisíců kusů ročně. Proto by se měl Stirlingův motor používat pouze tam, kde běžný spalovací motor nelze použít vůbec nebo kde bude mít Stirlingův motor jasné provozně ekonomické výhody. Ze současného pohledu to jsou prakticky pouze následující aplikace: • výroba elektrické energie z energie sluneční v oblastech s minimálním ročním úhrnem 2000 kWh·m–2·rok–1. Výroba elektrické energie spalováním plynů s nízkou výhřevností nebo plynů těžko spalitelných v běžných motorech s vnitřním spalováním, • výroba elektrické energie spalováním pevných paliv z obnovitelných zdrojů (peletky atd.). Obr. 2.20 znázorňuje vhodnost světových lokalit pro solární tepelné systémy a obr. 2.21 pak znázorňuje princip využití solární energie ve Stirlingově motoru. Další aplikací je spalování plynů s nízkou výhřevností jako např. důlní plyn nebo plyn z vyčerpaných skládek. Zde již ale musíme počítat s použití spalovacího systému s rekuperačním výměníkem, který celou záležitost prodražuje. V případě použití biomasy je výhoda Stirlingova motoru v tom, že spalování probíhá vně motoru, což je výhodnější ve srovnání s klasickými pístovými motory či turbínami, kdy spaliny výborná

dobrá

vhodná

nevhodná

zrcadlo

Obr. 2.20 Vhodnost světových lokalit pro solární tepelné systémy [21]

Obr. 2.21 Princip využi solární energie ve Srlingově motoru [21]

působí přímo na píst či lopatky stroje. Naproti tomu je nutno, jako u každé spalovací aplikace Stilringova motoru, použít rekuperační výměník. Zde je třeba hledat kompromis mezi jeho účinností a snadným čištěním, neboť veškeré díly spalovacího systému (včetně ohříváku) budou trpět zanášením pevnými zplodinami hoření. Tento problém brání širšímu uplatnění.

2.2.4.1 Příklad konkrétních aplikací SES (Stirling Energy Systems, Inc., USA) vyvinula solární jednotku pro výrobu elektrické energie (obr. 2.22) s elektrickým výkonem 25 kW a se špičkovou účinností 29,4 %. Koncentrátorem sluneční energie je parabolické zrcadlo o průměru 11,37 m. Použitý Stirlingův motor vychází z typu V4-95 Kockums. Pracovním plynem je vodík s tlakem až 20 MPa. Celý projekt je realizován za spolupráce firem United Stirling, Kockums, Volvo a Boeing. Několik těchto zařízení bylo podrobeno provozním zkouškám v reálném provozu téměř 20 let a v současné době je připravová-

29


na sériová výroba. SES totiž uzavřela kontrakt na dodávku jednotek pro jednu solární elektrárnu s výkonem 500 MW s možností rozšíření až na 850 MW a druhou podobnou s výkonem 300 MW s možností rozšíření na 900 MW. Obě elektrárny by měly být postupně realizovány do roku 2025 v poušti Mojave a v Imperial Walley. Dalším produktem na trhu je výrobek americké firmy STM Power, Inc. Je jím kogenerační jednotka na bázi Stirlingova motoru určená pro plynná paliva s elektrickým výkonem 55 kW, elektrickou účinností až 30 % (obr. 2.23). Nespornou výhodou u tohoto stroje je jeho servisní interval, který činí 10 000 hodin. Pracovním plynem je v tomto případě opět vodík, který je vytvářen pomocí elektrolýzy z vody a dle potřeby je možno pokrývat jeho ztráty. Další aktivity této společnosti směřují k vývoji výkonnější verze motoru. Z evropských firem je nejvýznačnější německá Solo stirling GmbH. Ta vyrábí a dodává kogenerační jednotku na bázi inovovaného motoru, který vychází z dobře známého United

Obr. 2.22 Solární jednotka SES, 25 kW

Obr. 2.23 Srlingův motor z KJ STM-Power, Inc. [21]

Stirling V-160. Jedná se o jednočinnou α-modifikaci s válci V pod úhlem 90 °, což je co do výrobní náročnosti a dosažených parametrů bezesporu jedno z nejlepších řešení pro výkony do 10 kW. Tato kogenerační jednotka dosahuje elektrického výkonu 7,5 kW při 13 MPa helia a účinnosti 24 % při 650 °C teploty helia v expanzním válci a 50 °C topné vody. Servisní interval pro výměnu oleje, doplnění helia atp. je udáván na 5000–8000 hodin. Cena základní kogenerační jednotky na zemní plyn je však při dnešních cenách energií poměrně vysoká. Kogenerační jednotka Solo stirling je znázorněna na obr. 2.24. Velice zajímavým produktem je i malá kogenerační jednotka novozélandské firmy Whispergen s elektrickým výkonem 1,2 kW, tepelným výkonem 8–10 kW a účinností 10–13 %, která je díky svým parametrům přímo předurčená pro běžné domácnosti. Vyznačuje se velmi nízkou hlučností, malými zástavbovými rozměry a zdařilým designem, umožňujícím instalaci jednotky do běžné kuchyňské linky. Jednotka má velmi malou elektrickou účinnost, tudíž by byla lepší charakteristika „plynový kotel s doplňkovou výrobou elektřiny“. Malá elektrická účinnost však podstatně snižuje cenu stroje, a tak provozní filozofie má své opodstatnění. Provoz je řízen výhradně potřebou tepla. V topné sezóně je pak vyráběný přebytek elektrické energie dodáván do sítě. Naopak mimo topné období, kdy Obr. 2.24 Kogenerační jednotka Solo je potřeba tepla malá a jednotka většinou není v provozu, je srling [21] elektrická energie ze sítě odebírána. Energetická síť je tak

30

Stirlingův motor

>

využívána jako „roční akumulátor elektřiny“, pro což však ve většině zemí chybí legislativní podpora. Instalace v systému rodinného domku je naznačena na obr. 2.25. Špičkou ve vývoji a výrobě Stirlingových motorů je švédská společnost Kockums AB. V současné době je jedna z jejich divizí i United Stirling AB. Kockums se však v posledních letech zaměřuje většinou na vývoj a výrobu vysoce výkonných pohonných jednotek pro ponorky, v nichž používají téměř k dokonalosti dotažený motor V4-235 s výkonem 75 kW. Jejich hlavním zájmem jsou pouze parametry motoru, a tak není divu, že cena jednoho takového dosahuje i 1,5 milionu. Společnost Kockums vyvinula pro ponorky unikátní AIP systém (Air Independent Propulsion System) na bázi Stirlingova motoru. Tento systém je založen na spalování vodíku za přítomnosti syntetického vzduchu, připravovaného z tlakových lahví. Proto Obr. 2.25 Whispergen v systému rodinného může být motor v provozu i pod hladinou. Produk- domu [21] tem spalování je pouze vodní pára, která je následně kondenzována a ukládána v zásobníku. Součástí celého pohonného systému jsou dále akumulátory elektrické energie, dieselagregát, elektromotor a elektrický generátor. Hlavním pohonem je většinou elektromotor. Při plavbě na hladině jsou dobíjeny akumulátory dieselagregátem a současně elektrolýzou rozkládána dříve zkondenzovaná voda opět na kyslík a vodík. Tento systém umožní ponorce zůstat pod hladinou několikanásobně déle než při použití klasického řešení (dieselagregát a akumulátory).

2.2.5 Srlingův motor firmy Tedom V roce 2001 se firma TEDOM s.r.o. rozhodla zahájit vývoj kogenerační jednotky na bázi Stirlingova motoru. V letech 2002 a 2003 byl vývoj prováděn částečně za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu s názvem „Výzkum a vývoj zařízení na kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla ve výkonové třídě mikrokogenerace na bázi Stirlingova motoru s možností spalování biomasy“. V dnešní době probíhá vývoj již za vlastního financování a celkové náklady projektu značně přesáhly 40 miliónů Kč. Cílové parametry jsou stanoveny následovně: • výkon motoru 11 kW při 1500 min-1, • elektrická účinnost min. 25 % při teplotách 650/60 °C (teplota žárové hlavy/vstupní teplota do motoru), • pracovní médium helium, • maximální střední tlak pracovního plynu 14 MPa, • servisní interval 2 roky, • minimální životnost do generální opravy 25 000 hodin, • nízká cena motoru, zajišťující budoucí komerční úspěch kogenerační jednotky. Nejvhodnější se jeví použití jednočinné α-modifikaci se zdvihovým objemem 1,83 dm3. Hlavní výhodou této modifikace je její jednoduchost, a tím i předpokládané nízké výrobní náklady, kterým byla dána přednost před špičkovými parametry.

31

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.

Speciální spalovací motory a alternativní pohony

Recommend Documents