Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vliv fyzikálních vlastností paliva na tvorbu směsi Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Bc. Jiří Honzírek
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Vliv fyzikálních vlastností paliva na tvorbu směsi vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne……………………………………….. podpis diplomanta ……………………….
Poděkování Na tomto místě děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za vedení práce, odborné konzultace a za cenné rady a připomínky, které mi velmi pomohly s vypracováním této diplomové práce.
ABSTRAKT Teoretická část diplomové práce „Vliv fyzikálních vlastností paliva na tvorbu směsi“ je zaměřena na popis paliv pro pístové spalovací motory, popis podstaty dynamické viskozity, hustoty, způsoby jejich měření a seznámení se systémy tvorby směsí u pístových spalovacích motorů. Experimentální část diplomové se zabývá měřením teplotních závislostí dynamické viskozity a hustoty u motorové nafty, automobilového benzinu, metylesteru řepkového oleje, etanolu a jejich směsí. Dále byla sledována závislost dynamické viskozity a hustoty motorové nafty a automobilového benzinu na obsahu příměsí metylesteru řepkového oleje, respektive etanolu. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulkách a znázorněny v grafech. K jednotlivým závislostem byly vytvořeny matematické modely, které mohou sloužit k predikci chování konvenčních paliv, biopaliv a jejich směsí.
Klíčová slova Motorová nafta, MEŘO, automobilový benzin, etanol, dynamická viskozita, hustota.
ABSTRACT The theoretical part of the thesis, “Effect of physical properties of automotive fuel on quality of combusting mixture”, deals with the description of fuels for piston combustion engines, importance of dynamic viscosity and density, and their measurement techniques. Finally, main features of different systems for generating combustion mixtures were outlined. The objective of the experimental part was the measurement of temperature– dependent dynamic viscosity and density of different types of fuels (automotive diesel fuel, automotive petrol, methyl ester based fuel obtained from rapeseed oil, ethanol, and some of their mixtures). Further, the dependency of physical properties (dynamic viscosity and density) of automotive diesel fuel and petrol on the percentage content of additives (rapeseed oil and ethanol) was studied. Results are shown in tables and plots. Appropriate mathematical functions were found to fit each set of experimental data, which can be used for a convenient prediction of physical properties of common automotive fuels, biofuel and their mixtures.
Key words Diesel fuel, RME, automotive gasoline, ethanol, dynamic viscosity, density.
OBSAH 1 ÚVOD............................................................................................................................ 7 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 8 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................... 9 3.1 Ropa......................................................................................................................... 9 3.1.1 Základní informace o ropě ................................................................................ 9 3.1.2 Těžba ropy......................................................................................................... 9 3.1.3 Zpracování ropy .............................................................................................. 10 3.2 Viskozita................................................................................................................ 11 3.2.1 Podstata viskozity............................................................................................ 12 3.2.2 Měření viskozity.............................................................................................. 14 3.2.2.1 Pádové (tělískové) viskozimetry............................................................... 14 3.2.2.2 Průtokové viskozimetry ............................................................................ 15 3.2.2.3 Rotační viskozimetry ................................................................................ 16 3.2.3 Vliv viskozity paliv na provoz pístových spalovacích motorů ...................... 17 3.3 Hustota................................................................................................................... 17 3.3.1 Definice hustoty .............................................................................................. 17 3.3.2 Měření hustoty ................................................................................................ 18 3.3.2.1 Ponorné hustoměry (aerometry) ............................................................... 18 3.3.2.2 Pyknometry............................................................................................... 18 3.3.2.3 Mohrovy váhy........................................................................................... 19 3.3.2.4 Digitální hustoměr .................................................................................... 20 3.3.3 Vliv hustoty paliva na provoz pístových spalovacích motorů ........................ 20 3.4 Paliva pro pístové spalovací motory...................................................................... 21 3.4.1 Motorová nafta ................................................................................................ 21 3.4.1.1 Základní informace o motorové naftě...................................................... 21 3.4.1.2. Vlastnosti motorové nafty........................................................................ 21 3.4.2 Metylester řepkového oleje (MEŘO).............................................................. 25 3.4.2.1 Základní informace o MEŘO ................................................................... 25 3.4.2.2 Vlastnosti MEŘO...................................................................................... 25 3.4.3 Automobilový benzin...................................................................................... 27 3.4.3.1 Základní informace o automobilovém benzinu ........................................ 27 3.4.3.2 Vlastnosti automobilového benzinu.......................................................... 28
3.4.4 Etanol .............................................................................................................. 31 3.4.4.1 Základní informace o etanolu ................................................................... 31 3.4.4.2 Vlastnosti bioetanolu ................................................................................ 32 3.5 Systémy tvorby směsi pístových spalovacích motorů........................................... 33 3.5.1 Systémy tvorby směsi vznětových motorů ..................................................... 33 3.5.1.1 Vznětové motory s děleným spalovacím prostorem................................. 35 3.5.1.2 Vznětové motory s neděleným spalovacím prostorem ............................. 37 3.5.2 Systémy tvorby směsi zážehových motorů ..................................................... 38 3.5.2.1 Vstřikování benzinu.................................................................................. 39 4 MATERIÁL A METODIKA....................................................................................... 42 4.1 Zkoumaná paliva ................................................................................................... 42 4.2 Měření dynamické viskozity ................................................................................. 42 4.2.1 Viskozimetr ..................................................................................................... 42 4.2.2 Postup měření dynamické viskozity................................................................ 44 4.3 Měření hustoty....................................................................................................... 45 4.3.1 Hustoměr ......................................................................................................... 45 4.3.2 Postup měření hustoty ..................................................................................... 46 5 VÝSLEDKY A DISKUZE.......................................................................................... 47 5.1 Motorová nafta, metyl ester řepkového oleje a jejich směsi ................................. 47 5.2 Automobilový benzin, etanol a jejich směsi.......................................................... 51 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 56 LITERATURA ............................................................................................................... 58 SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................... 60 SEZNAM TABULEK .................................................................................................... 61
1 ÚVOD Pístové spalovací motory slouží jako pohonné jednotky většiny dnešních automobilů. Znalost vlastností motorových paliv při měnících se teplotních podmínkách a různých podílech biosložky v motorové naftě, respektive automobilovém benzinu je významným předpokladem pro optimální tvorbu směsi paliv se vzduchem. Dynamická viskozita paliv, jejíž měření se tato práce mimo jiné věnuje, má zásadní vliv na vstřikování paliva. Vysoká viskozita má za následek zhoršenou atomizaci paliva, dochází k nedokonalému spalování a tvorbě sazí. Z důvodu rostoucího podílu biopaliv povinně přimíchávaných do motorové nafty a automobilového benzinu, které se za nízkých teplot vyznačují zvýšenou viskozitou, je důležité vědět, jak jejich přítomnost ovlivňuje viskozitu při měnících se teplotních podmínkách. Hustota paliv, která je v této práci dále sledována, má také významný vliv na provoz pístových spalovacích motorů, neboť množství vstřikovaného paliva je měřeno objemově. Změna hustoty paliva může být způsobená měnící se teplotou či podílem biosložky.
7
2 CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je zjistit jak ovlivní obsah biosložky konvenční paliva pro pístové spalovací motory. Znalost chování konvenčních paliv ve směsích s biopalivy je důležitá s ohledem na plány Evropské unie pro zavádění paliv z obnovitelných zdrojů do dopravy. Teoretická část se zabývá ropou jakožto dominantní surovinou pro výrobu paliv, významem hustoty a viskozity paliv, popisem jednotlivých druhů paliv a systémů tvorby směsi pístových spalovacích motorů. V praktické části je na vzorcích motorové nafty, automobilového benzinu, etanolu a metylesteru řepkového oleje a směsích těchto paliv provedeno měření teplotní závislosti dynamické viskozity a hustoty. Dále je měřena změna hustoty motorové nafty s rostoucím podílem metylesteru řepkového oleje a automobilového benzinu s rostoucím podílem etanolu. Výsledky měření jsou zpracovány do přehledných grafů a byly navrženy matematické modely pro popis a predikci chování paliv.
8
3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Ropa 3.1.1 Základní informace o ropě Většina paliv pro pístové spalovací motory se získává destilací ropy. Ropa je světle žlutá až černá kapalná směs uhlovodíků fosilního původu o hustotě 0,73 až více než 1 t.m–3. Obsahuje 80 až 85 % uhlíku, 10 až 15% vodíku, 4 až 7% síry a malý podíl dusíku (VLK, 2006). Ropa je lidem známá již od starověku, s její destilací v Evropě se začalo v 17. století. Původ ropy není dodnes zcela jasný, o jejím vzniku existují 2 teorie. Dle anorganické teorie ropa vznikla reakcí vody s karbidy těžkých kovů. Většina vědců se přiklání k organické teorii, podle které ropa vznikla rozkladem živočišných a rostlinných zbytků za zvýšeného tlaku a teploty.
3.1.2 Těžba ropy Ložiska ropy se obvykle vyskytují stovky metrů až několik kilometrů pod zemským povrchem mezi dvěma nepropustnými vrstvami většinou společně se zemním plynem. Ropa se těží hlubinnými vrty, a to na pevnině či ze dna moří a oceánů. Vyvěrá–li při těžbě ropa samovolně na povrch, jedná se o tzv. primární způsob těžby. Tlak potřebný k samovolnému vytékání či dokonce tryskání ropy poskytuje zemní plyn. Při poklesu tlaku, nastupuje tzv. sekundární způsob těžby, ropa je z podzemí čerpána čerpadly nebo se tlak udržuje zpětným pumpováním zemního plynu, vzduchu či vodní injektáží. Pokud ani sekundární způsob těžby nedokáže zamezit snižování produkce a těžba je stále ekonomická, lze využít tzv. terciální způsob těžby. Při terciárním způsobu těžby se zvyšuje viskozita ropy injektáží vodní páry, případně se část ložiska zapálí. Průměrná vytěžitelnost ložisek se pohybuje pouze okolo 35 % (CÍLEK, 2007). K největším světovým producentům ropy patří například Rusko, USA, Saúdská Arábie, Čína, Mexiko, Venezuela, Írán a Norsko. Ropný průmysl rozlišuje ropu podle jejího původu (např. West Texas Intermediate, WTI nebo Brent), případně podle její hustoty (lehká, light, středně těžká, intermediate a těžká, heavy). Rafinérie ji též mohou označovat jako „sladkou“ (sweet), což znamená, že obsahuje relativně málo síry, nebo jako „kyselou“ (sour), tato ropa obsahuje více 9
než 0,5 % síry a vyžaduje náročnější zpracování pro splnění současných norem (www.ropa.cz).
3.1.3 Zpracování ropy Před základním zpracováním destilací se musí z ropy odstranit příměsi vody a solí. Během destilace jsou oddělovány jednotlivé frakce ropy dle jejich rozdílných bodů varu. Ropa ohřátá v trubkových pecích je dále odváděna do atmosférické destilační kolony. Po oddělení frakcí zůstává nedestilující zbytek – tzv. mazut. Mazut je následně přečerpán do vakuové kolony, v níž se díky sníženému tlaku sníží také destilační teploty. Frakce z atmosférické destilace: •
plyny,
•
benzinová frakce,
•
petrolej,
•
plynový olej,
•
destilační zbytek (mazut).
Frakce z vakuové destilace: •
vakuový plynový olej,
•
olejový destilát I,
•
olejový destilát II,
•
olejový destilát III,
•
destilační zbytek (asfalt) (VLK, 2006).
Spalování ropných produktů má však významný podíl na produkci emisí škodlivých plynů. Například oxid uhličitý, který je výsledkem dokonalé oxidace uhlíkatých paliv, a nelze jej tedy z emisí odstranit, způsobuje postupné oteplovaní naší planety tzv. skleníkový efekt. Další úskalí při využívání paliv z ropy představují její omezené světové zásoby.
10
SÍRA PROPYLÉN
AUT. BENZÍN
Selektivní hydrogenace
MOT. NAFTA
Fluidní katalytické krakování
TOPNÉ OLEJE
Hydrogenační raf. Plynového oleje
Dělení krak. benzínu
Reforming
LET.PETROLE
Hydrogenační rafinace petroleje
Redestila-
Redestila-
Jednotka LPG
MTBE / ETBE
Rafinát I
Izomerace
Vakuová destilace
Ropa
Atmosférická destilace
Hydrogenační rafinace benzínu
Claus LPG
Odsíření plynů
MTBE/ETBE
Metanol/Etanol
Obr. 1 Technologické schéma rafinerie Kralupy nad Vltavou (www.crc.cz)
Tab. 1 Známé rezervy ropy a její celosvětová spotřeba (VLK, 2004) Jedn.
1985
1990
1995
2000
Známé rezervy
[Gt]
95,5
135,7
137,9
139,7
Ročně vytěženo
[Gt]
2,7
3,2
3,3
3,4
Statická zásoba
[roky]
35
42
42
41
3.2 Viskozita Velmi důležitou vlastnost paliv pro pístové spalovací motory představuje viskozita, jejíž závislostí na teplotě u jednotlivých paliv se dále věnuji v praktické části této diplomové práce. Viskozita je fyzikální tím a změnou rychlosti v
veličina, závislosti
která
udává
poměr
na vzdálenosti mezi
mezi tečným sousedními
napě-
vrstvami
při proudění skutečné kapaliny. Viskozita charakterizuje vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Kapaliny s větší přitažlivou silou mají větší vis-
11
kozitu vedoucí k většímu brždění pohybu kapaliny nebo těles v kapalině. Zkoumáním viskozity se zabývá vědní obor reologie. Viskozita je definována jako dynamická a kinematická. Dynamická viskozita (η) se udává v jednotkách [Pa.s]. Je definována jako podíl tzv. smykového napětí (reprezentujícího odpor vůči toku) a smykového spádu (reprezentujícího rychlost vnitřní deformace). U ropných frakcí a produktů viskozita roste s molekulovou hmotností, resp. bodem varu uhlovodíků. U většiny kapalin pak klesá s rostoucí teplotou. Kinematická viskozita (ν) je podílem dynamické viskozity a hustoty kapaliny, její jednotkou jednotkou je [m2s–1] (www.petroleum.cz).
3.2.1 Podstata viskozity Isaac Newton na základě pozorování řeky a hladiny vody v rotujícím vědru, došel k závěru, že uvnitř kapaliny existuje tření přenášející pohyb od jedné vrstvy kapaliny ke druhé. Mírou tohoto tření, které způsobuje pozorované rozdíly rychlosti proudění vody v řece – nejnižší rychlost u břehů a nejvyšší uprostřed, je pak viskozita . Pro pochopení viskozity si představme experiment, při kterém se mezi dvěmi rovnoběžnými deskami nachází kapalina. Spodní desku ponecháme v klidu a druhou pohybuje rovnoběžně nízkou rychlostí vo [m.s–1](BUCHAR, 1990). Vrstva kapaliny přiléhající k horní desce se pohybuje současně s horní deskou, zatímco vrstva kapaliny přiléhající ke spodní desce je v klidu. Na vzdálenosti d [m] se mění rychlost kapaliny z hodnoty 0 na hodnotu vo. Je–li změna rychlosti rovnoměrná, jedná se o tzv. kapalinu newtonskou (www.tpm.fsv.cvut.cz). Měřením síly (F), kterou potřebujeme k udržení horní desky v pohybu, zjistíme, že je tato síla úměrná ploše desek (S) [m2] a poměru v0/d, to znamená: F =η ⋅S ⋅
vo ; [N ] d
(1)
Analogicky k tlaku zavádíme pojem smykové napětí (τ):
τ = ; [N ⋅ m − 2 ] F S
(2)
12
Konstantu úměrnosti η nazýváme dynamickou viskozitou, která má rozměr [Pa.s], dále se používá také kinematická viskozita, vztah mezi nimi je:
ν=
η ; [m 2 ⋅ s −1 ] ρ
(3)
kde (ρ) je hustota tekutiny [kg.m–3] (BUCHAR, 1990).
Síla (F)
Plocha (S)
Rychlost (v)
d
Obr. 2 Kapalina mezi dvěma rovinnými deskami (BUCHAR, 1990)
Znalost viskozity je velmi významná pro řešení celé řady úloh, například umožňuje popsat charakter proudění tekutin pomocí tzv. Reynoldsova čísla (Re), což je bezrozměrné číslo definované vztahem: Re =
v⋅ρ ⋅R
(4)
η
kde (v) je rychlost proudění [m.s–1] , (R) je charakteristický rozměr potrubí nebo obtékaného tělesa [m2] a (ρ)je hustota tekutiny [kg.m–3] (BUCHAR, 1990).
13
3.2.2 Měření viskozity Pro měření viskozity se běžně používají průtokové, pádové a rotační viskozimetry, dále existuje celá řada přístrojů určených k hodnocení konzistence určitých výrobků za stanovených podmínek. Jejich stupnice jsou kalibrovány buď newtonskou kapalinou nebo ve stupních charakteristických pouze pro ten který přístroj. Hodnoty naměřené těmito přístroji poskytují sice cenné informace o změnách vlastností konkrétního produktu, ovšem k obecnému měření nejsou vhodné (www.kf.upce.cz)
3.2.2.1 Pádové (tělískové) viskozimetry Pádové viskozimetry jsou založeny na měření rychlosti pádu známého tělíska (obvykle koule) v kapalině, jejíž viskozitu určujeme. Podle Stokesova zákona rychlosti pádu platí rovnice: v=
[
F ; m ⋅ s −1 6π ⋅ η ⋅ r
]
(5)
a F=
3 ⋅ π ⋅ r 3 ⋅ ( ρ − ρ o ) ⋅ g ; [N ] 4
(6)
kde (ρo), (ρ) jsou hustoty kapaliny respektive tělíska [kg.m–3] a r je poloměr tělíska [m].
Viskozita se stanoví podle vztahu: 2g ⋅ r 2 ⋅ (ρ − ρo ) η= ; [Pa.s ] 9⋅v
(7)
Na tomto principu pracuje Stokesův či Höpplerův viskozimetr (www.kf.upce.cz).
14
T – trubice naplněná zkoumanou kapalinou M1,M2 – rysky K – kulička P – termostatovací kapalina
Obr. 3 Schema Höpplerova kuličkového viskozimetru (www.kf.upce.cz)
3.2.2.2 Průtokové viskozimetry Tyto přístroje pracují na základě Poisseuilově rovnici pro laminární výtok kapaliny z kolmé trubice kruhového průřezu vlastní hmotností :
η=
π ⋅ r 4 ⋅ ∆p.t 8⋅ V ⋅l
; [Pa ⋅ s ]
(8)
kde (r) je poloměr trubice [m], (l) délka trubice [m], ∆p představuje rozdíl tlaků daný hydrostatickým tlakem ve svislé kapiláře [Pa], (t) doba toku [s] a (V) je objem vyteklé kapaliny [m3]. Pro laminární proudění je zapotřebí užívat při nízkých viskozitách kapilární trubice. V praxi se měření neprovádí absolutně, ale relativně srovnáním s referenční kapalinou mající známou viskozitu. Nejznámějšími typy průtokových viskozimetrů jsou Englerův, Ostwaldův, Kohlův a Ubbelohdeův viskozimetr, pro měření tokových křivek nenewtonských kapalin se používají průtokové kapilární viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem (www.kf.upce.cz).
15
S nastavitelným tlakovým
Obr. 4 Schema průtokových (kapilárních) viskozimetrů (www.kf.upce.cz)
3.2.2.3 Rotační viskozimetry U rotačních viskozimetrů je vzorek podrobován smyku mezi dvěma definovanými plochami, z nichž jedna vykonává otáčivý pohyb. Vyhodnocován je brzdný účinek vzorku při různých rychlostech otáčení. Nejběžnějším typem je rotační viskozimetr s dvěma souosými válci V1 a V2, mezi kterými je měrná kapalina K. Jeden z válců se během měření uvede do rotačního pohybu stálou úhlovou rychlostí a registruje se moment síly M, který přitom působí na vnitřní válec V2. Obvykle se otáčivý moment měří elektricky což umožňuje jeho další snadný zápis a zpracování.
Obr. 5 Schema základních typů uspořádání rotačních viskozimetrů (www.kf.upce.cz)
16
Při poloměrech válců (r1, r2) [m] a výšce smýkané vrstvy kapaliny (h) [m] lze viskozitu vypočítat podle rovnice:
η=
(
)
M . 1 / r12 − r22 M =A 4π . h . ω ω
(9)
kde (A) je přístrojová konstanta, (ω) představuje ustálenou úhlovou rychlost [rad.s–1] a (M) moment síly [N.m]. Pro viskóznější kapaliny často užívá uspořádání kužel – deska (www.kf.upce.cz).
3.2.3 Vliv viskozity paliv na provoz pístových spalovacích motorů Viskozita má zásadní vliv na vstřikování paliva, neboť obecně platí, že vyšší viskozita vede ke zhoršení atomizace paliva. Vysoká viskozita způsobuje větší velikost kapiček vstřikovaného paliva, jeho horší odpařování a užší úhel vstřikování. To vede k celkově horšímu spalování, tvorbě sazí a většímu ředění motorového oleje. Vysoká viskozita je hlavním důvodem, který brání rozšíření využití rostlinných olejů jako paliva pro vznětové motory (MURPHY a kol., 2011). Bylo prokázáno, že u systému common rail má vyšší viskozita MEŘO za následek zvýšení zpoždění počátku vstřiku, snižuje objem vstřiku a zvyšuje proměnlivost vstřikované dávky paliva . Viskozita je výrazně ovlivněna teplotou, proto mnoho problémů vyplývajících z vysoké viskozity je nejvíce patrných při nízké okolní teplotě a studeném startu motoru. (HOEKMANNEN a kol., 2012).
3.3 Hustota 3.3.1 Definice hustoty Hustota látky ρ [kg.m–3] je definovaná jako poměr její hmotnosti m [kg] a objemu V [m3], který látka zaujímá.
ρ=
m ; [kg.m–3] V
(10)
17
3.3.2 Měření hustoty Hustotu kapalin lze měřit pomocí ponorného hustoměru, pyknometru, Mohrových vah
či digitálním hustoměrem.
3.3.2.1 Ponorné hustoměry (aerometry) Jedná se o skleněné těleso, které se ponoří do vzorku. Po krátkém ustalovacím čase bude plavat na určité úrovni (když je hmotnost ponorného hustoměru rovná vztlakovému efektu). Čím vyšší je hustota vzorku, tím méně se aerometr ponoří. Hladina kapaliny označuje hustotu na kalibrované stupnici. Ponorné hustoměry jsou jednoduché, rychlé a levné. K jejich nevýhodám ovšem patří malý rozsah měření, omezená přesnost a křehkost (www. http://cs.mt.com).
Obr. 6 Ponorný hustoměr (www.laboratorni–potreby.cz)
3.3.2.2 Pyknometry Pyknometr je skleněná nádobka definovaného objemu. Nejprve se váží bez vzorku (M1), poté se naplní vzorkem a zváží se znovu (M2). Rozdíl mezi M1 a M2 (= hmotnost vzorku) dělený objemem nádobky je hustota vzorku. Klady a zápory použití pyknometru jsou obdobné jako v případě ponorných hustoměrů. K záporům se dále řadí nutnost výpočtu hustoty (www. http://cs.mt.com).
18
Obr.7 Pyknometr (www.laboratorni–potreby.cz)
3.3.2.3 Mohrovy váhy Jedná se o hydrostatickou metodu založenou na Archimédově zákoně. Nazýváme ji metodou ponorného tělíska a spočívá ve vážení tělíska v kapalině známé hustoty a následovně vážení v kapalině neznámé hustoty, jejíž hustotu chceme určit. Mohrovy váhy slouží k rychlému měření hustoty kapalin. Váhy mají dvě nestejná ramena. Na levém rameni je protizávaží a hroty určující rovnovážnou polohu. Pravé rameno je rozděleno na deset stejných dílů, na které se zavěšuje závaží. Hmotnost závaží umístěné na úplně pravé část vah je jeho samotná. S postupným posouváním závaží směrem doleva na vahách se hmotnost závaží zmenšuje a to s jedním dílem 10×. Tudíž závaží umístěné na desátém dílku od osy otáčení vah působí svojí skutečnou hodnotou a na dílech blíž k ose otáčení vah působí tolika desetinami své hodnoty, na kolikátém je dílku od osy otáčení (http://mvt.ic.cz).
Obr. 8 Mohrovy váhy (http://mvt.ic.cz) 19
3.3.2.4 Digitální hustoměr Digitální hustoměry obsahují dutou skleněnou trubici vibrující při jisté frekvenci. Tato frekvence se změní, když se trubice naplní vzorkem. Čím vyšší je hmotnost vzorku, tím nižší je frekvence. Změřená frekvence se pak přepočte na hustotu. Kalibrace se provádí na vzduch nebo destilovanou vodu. Zabudovaný Peltierův termostat řídí teplotu velmi přesně, bez použití vodní lázně. Digitální hustoměry se vyrábí v ručním či laboratorním provedení. K výhodám digitálních hustoměrů patří vysoká přesnost, rychlost měření a možnost změření vzorku malého objemu. Naopak nevýhodu představuje vysoká cena (www.http://cs.mt.com).
Obr. 9 Přenosný digitální hustoměr Densito 30 PX (www.verkon.cz)
3.3.3 Vliv hustoty paliva na provoz pístových spalovacích motorů Hustota je jednou ze základních veličin charakterizujících ropu a její produkty. Z její hodnoty lze také usuzovat na frakční chemické složení ropných produktů. Hustota je normovaným parametrem většiny výrobků z ropy, jako jsou paliva, maziva apod. Hustota benzinu při 15 °C je normou ČSN EN 228 stanovena v rozmezí 720 až 775 kg.m–3, hustota motorové nafty při 15 °C je určena v intervalu 820 až 845 kg.m–3 (ČSN EN 590) (http://cesmina.vscht.cz). Hustota paliva má vliv na správnou činnost motoru, musí ležet v určitém optimálním intervalu, neboť množství paliva pro tvorbu směsi je měřeno objemově. U vznětových motorů při vyšší hustotě nafty je do válce přivedena větší hmota paliva, dochází k nedostatku vzduchu a zvyšuje se kouřivost. Naopak příliš lehké frakční složení nafty s nízkou teplotou zápalnosti vede k tvrdému chodu motoru (VLK,2006). 20
3.4 Paliva pro pístové spalovací motory 3.4.1 Motorová nafta 3.4.1.1 Základní informace o motorové naftě Motorová nafta slouží jako palivo pro vznětové motory. Vyrábí se mísením dvou frakcí z destilace ropy – petroleje a plynového oleje. Petrolej destiluje přibližně v rozmezí teplot 160 až 260 °C a plynový olej při 250 až 360 °C. Obě frakce obsahují značné množství sirných sloučenin, proto musí být podrobeny hydrogenačnímu odsíření, které odstraní i stopové množství kyslíku a dusíku (MATĚJOVSKÝ, 2005). Teplota tuhnutí petroleje je nižší než –50 °C, plynový olej tuhne již kolem 0 °C, proto letní motorová nafta obsahuje převážně plynový olej a zimní musí obsahovat vysoký podíl petroleje. Motorová nafta může obsahovat přísady zlepšující užitné vlastnosti – depresanty, detergenty, mazivostní přísady, inhibitory koroze a přísady proti pěnění. V současné době je do motorové nafty povinně přimícháván 6–ti procentní podíl metylesteru řepkového oleje (www.auto.cz).
3.4.1.2. Vlastnosti motorové nafty Vlastnosti motorové nafty jsou definovány v normě ČSN EN 590. Mezi hlavní vlastnosti motorové nafty patří : •
Cetanové číslo
•
Cetanový index
•
Viskozita
•
Hustota
•
Destilační křivka
•
Conradsonovo číslo
•
Obsah síry
•
Mazivost
•
Filtrovatelnost
•
Čistota
•
Oxidační stálost
21
Cetanové číslo je parametr popisující odolnost motorové nafty vůči tzv. „tvrdému chodu“ (zpožděnému zážehu náplně válce vznětového motoru). Vyjadřuje se koncentrací cetanu (n–hexadekanu), jehož cetanové číslo je 100, ve směsi s 1 metylnaftalenem, cetanové číslo 0, která vykazuje stejnou náchylnost k tvrdému chodu jako hodnocené palivo. Podle novější metody je standardní palivo směsí cetanu a „izocetanu“ (2,2,4,4,6,8,8–heptametylnonanu).
Cetanové
číslo
se
stanovuje
experimentálně
na zkušebním motoru (www.petroleum.cz). Cetanové číslo charakterizuje schopnost vznícení a má vliv na studený start, hluk a emise motoru. Nízké cetanové číslo způsobuje dlouhou prodlevu vznícení vedoucí k tzv. tvrdému chodu. Naopak příliš vysoké cetanové číslo způsobuje vysoký podíl sazí v emisích a vznik karbonových úsad ucpávajících otvory vstřikovací trysky (VLK, 2006). Cetanový index se vypočítá ze středního bodu varu motorové nafty a její hustoty. Do jisté míry nahrazuje cetanové číslo, jehož stanovení je časově náročné a nákladné. Viskozita má kromě vlivu na mazivost (při malé viskozitě horší mazivost) významný vliv na velikost kapiček paliva vstřikovaného do válce. Při vyšší viskozitě se nedosahuje dokonalého rozptýlení vstřikovaného paliva, dochází ke ztrátě výkonu, zvýšené spotřebě paliva a nárůstu škodlivých emisí (MATĚJOVSKÝ, 2005). Hustota motorové nafty má vliv na správnou činnost vznětového motoru, musí ležet v určitém optimálním intervalu, neboť množství paliva vstříknutého do válce je měřeno objemově. Při vyšší hustotě nafty je do válce přivedena větší hmota paliva, dochází k nedostatku vzduchu a zvyšuje se kouřivost. Příliš lehké frakční složení paliva s nízkou teplotou zápalnosti vede k tvrdému chodu motoru (VLK,2006). Destilační křivka vyjadřuje objemové procento paliva předestilující se do určité teploty destilace. Mělo by se odpařit téměř veškeré palivo a to postupně, tak aby bylo spalování rovnoměrné (VLK,2006). Conradsonovo číslo (CCT) vyjadřuje sklon paliva k vytváření úsad karbonu na stěnách spalovacího prostoru (VLK,2006). Požadavky životního prostředí na nízký obsah síry v motorové naftě jsou v souladu s požadavky motorů na funkční vlastnosti paliva. Síra obsažená v motorové naftě způsobuje emise oxidu siřičitého, který zapříčiňuje kyselé deště. V neprohřátém motoru tvoří oxidy síry se zkondenzovanou vodou silné kyseliny způsobující korozi pístních kroužků a válců (MATĚJOVSKÝ, 2005). Ekologizace nafty, tj. snížení koncových bodů destilační křivky a snižování obsahu síry, vede ke zhoršení její mazivosti. Protože dnešní vysokotlaké vstřikovací systémy 22
zvyšují nároky na mazivost, začaly se do nafty přidávat mazivostní přísady a byly vyvinuty specielní zkoušky na hodnocení mazivosti nafty. V Evropě se využívá zkouška HFRR hodnotící mazivost dle šířky otěrové stopy na povrchu destičky k níž je přitlačována kulička vykonávající vratný pohyb v prostředí zkoušeného vzorku nafty při definovaném přítlaku a teplotě (MATĚJOVSKÝ,2005) Filtrovatelnost udává použitelnost motorové nafty v závislosti na klimatických podmínkách. Jedná se o teplotu, při níž za přesně definovaných podmínek přestává protékat přes filtr s definovanými póry kvůli jeho ucpání vyloučenými krystalky parafínů (VLK, 2006). Na čistotu jsou kladeny velmi přísné požadavky, vzhledem k citlivosti moderních vstřikovacích systémů na poškození. Zkouší a číselně se vyjadřuje celkový obsah nečistot a obsah vody (MATĚJOVSKÝ, 2005). Oxidační stálost vyjadřuje náchylnost nafty k vytváření úsad pryskyřičných látek lepivého charakteru, které by mohly omezovat, či dokonce blokovat pohyb mechanických částí palivové soustavy, zpětných ventilů, pístů a jehel trysek. Zkouška oxidační stálosti požaduje, aby po oxidaci při 95 °C z jednoho litru nafty nevzniklo více než 25 mg úsad (MATĚJOVSKÝ, 2005). Oxidační stálost motorové nafty rovněž umožňuje její dlouhodobé skladování.
Tab. 2 Limitní hodnoty paliva pro rychloběžné vznětové motory (VLK, 2006) Hustota při 15°C
800–850 kg.m–3
Kin. viskozita při 40°C
1,2–5,0 mm2.s–1,
Bod vzplanutí P.M.
min. 40°C
Koroze na mědi
max. 2
Obsah síry
max. 0,2% hm.
CCT z 10% destil. Zbytku
0,3% hm.
Popel
max. 0,01% hm.
Obsah vody
max. 0,02% obj.
Obsah mech. Nečistot
max 30 mg.dm–3
Cetanové číslo
min. 45
Cetanový index
min. 42
23
Destilační zkouška
do 165°C max. 10% obj. do 350°C min. 80% obj. do 370°C min. 97% obj.
Mazivost metodou HFRR
max. 600 µm
Tab. 3 Specifikace motorové nafty dodávané společností UNIPETROL RPA, s.r.o. (www.unipetrolrpa.cz) Parametr
Třída B
Třída D
Třída F
Časové rozmezí pro expedici
15.4. –
1.10. –
16.11. –
30.9.
15.11.
28.02.
1.3. – 14.4. Filtrovatelnost (CFPP) – °C, max.
0
–10
–20
Cloud Point (CP) – °C, max.
–
–
–8
820 – 845
820 – 845
820 – 845
Cetanové číslo, min.
51
51
51
Cetanový index, min.
46
46
46
– do 250°C p ředestiluje – % obj., max.
<65
<65
<65
– do 350°C p ředestiluje – % obj., min.
85
85
85
– 95% (V/V) předestiluje při °C, min.
360
360
360
Kin. viskozita při 40°C – mm .s , min.
2 – 4,5
2 – 4,5
2 – 4,5
Bod vzplanutí PM – °C, min.
nad 55
nad 55
nad 55
10
10
10
200
200
200
Celkový obsah nečistot – mg.kg , max.
24
24
24
Obsah popela – % hm., max.
0,01
0,01
0,01
Oxidační stabilita – g.cm , max.
25
25
25
Mazivost HFRR (wsd) 1,4/60°C) – µm
460
460
460
Hustota při 15°C – kg.m
–3
Destilační zkouška
2
–1
–1
Obsah síry – mg.kg , max. –1
Obsah vody – mg.kg , max. –1
–3
24
3.4.2 Metylester řepkového oleje (MEŘO) 3.4.2.1 Základní informace o MEŘO Esterifikací rostlinných olejů, případně živočišných tuků, vznikají metylestery mastných kyselin – FAME blížící se svými vlastnostmi klasické motorové naftě. V České republice je nejrozšířenější metylester řepkového oleje – MEŘO, který je v zahraničí označovaný jako RME (rapeseed methyl ester). MEŘO se vyrábí reakcí řepkového oleje s metanolem. Vedlejším produktem při výrobě metylesteru je glycerin, který lze dále zpracovávat v kosmetickém průmyslu. Energetická bilance MEŘO (poměr mezi energií vynaloženou na pěstování a dopravu řepky olejné, lisování oleje, esterifikaci a energií získanou) je kladná, uvádí se poměr asi 1 : 1,4 (30,5 GJ.ha–1 : 44,9 GJ.ha–1), více než v případě alkoholových paliv. Připočtení energie obsažené v odpadech při výrobě MEŘO (sláma 43 GJ.ha–1, pokrutiny 31 GJ.ha–1 a glycerol 1,9 GJ.ha–1 ) je tento poměr dokonce 1 : 4 (VLK, 2004).
Složení MEŘO je: •
asi 98 % metylesterů mastných kyselin řepkového oleje,
•
do 1 % směsi mono–, di– a triglyceridů,
•
do 0,3 % volných mastných kyselin,
•
do 0,3 % metanolu,
•
do 0,02 % volného glycerolu. Zbytek tvoří nezmýdelnitelné látky (VLK, 2004).
3.4.2.2 Vlastnosti MEŘO Technické, energetické a ekologické vlastnosti metylesteru řepkového oleje jsou formulovány v ČSN 65 6507 : MEŘO, biopalivo pro vznětové motory. Základní požadavky na vlastnosti metylesteru řepkového oleje jsou stejné jako v případě motorové nafty.
Čisté MEŘO lze použít ve vznětových motorech přímo bez jeho další chemické úpravy, problémem však jsou jeho horší vlastnosti vzhledem k motorové naftě. Především viskozita, hustota, stabilita a cetanové číslo. Proto se častěji využívá jako směs s klasickou motorovou naftou. V České republice se MEŘO používá ve směsi s motorovou naftou jako tzv. bionafta druhé generace obsahující min. 30 % metylesteru 25
řepkového oleje a 70 % motorové nafty a dále se MEŘO jak již bylo výše uvedeno plošně přimíchává do motorové nafty. Výhodou MEŘO i ostatních biopaliv je skutečnost, že při pěstování rostlin pro jejich výrobu dochází k přeměně oxidu uhličitého z atmosféry fotosyntézou na kyslík a následně při jejich spalování se oxid uhličitý vrací zpět do atmosféry → uzavřený okruh → nepřibývá množství oxidu uhličitého v atmosféře, a proto nedochází ke globálním změnám klimatu. Použitím MEŘO místo motorové nafty dochází k výraznému snížení obsahu polyaromatických uhlovodíků a tuhých částic ve výfukových plynech a nulovým emisím oxidu siřičitého. Obsah oxidu uhelnatého a uhlovodíků ve výfukových plynech je srovnatelný s provozem na motorovou naftu, obsah oxidů dusíku dokonce vyšší, avšak kouřivost se sníží až o 50%. Emise lze dále snížit použitím oxidačního katalyzátoru. Provoz vznětových motorů na MEŘO však s sebou nese také řadu nevýhod. Nižší výhřevnost MEŘO (37,1 – 40,7 MJ.kg
–1
) v porovnání s motorovou naftou (42,5
MJ.kg1) zapřičiňuje pokles výkonu o asi 5 % a zvýšení hodinové spotřeby o asi 4 %. Další nevýhodu představuje tvorba tzv. SOF látek usazujících se na pohyblivých i nepohyblivých částech motoru a zvýšené množství látek nerozpustných v oleji vedoucí k nutnosti výměny motorového oleje již v polovině jeho životnosti. MEŘO se chová agresivně vůči částem palivového systému vyrobených z pryže, a proto je nutná jejich náhrada za díly z plastických hmot. Pro provoz při teplotách nižších než 5 °C musí být dodána vhodná aditiva předcházející problémům se startováním a dopravou paliva.
Tab. 4 Technické požadavky na MEŘO (VLK, 2006) Vlastnosti
Hustota při 15°C Kin. viskozita při 40°C
měrné jednotky
kg.m
–3
2
mm .s
–1
Cetanový index
mezní hodnoty min
max
870
890
3,50
5,00
48
Filtrovatelnost
°C
Bod vzplanutí
°C
–5 110 –1
Voda
mg.kg
500
Conradsonův zbytek
% hm.
0,05
Síra
% hm.
0,04
Koroze na mědi
Stupeň koroze
Číslo kyselosti
mg KOH na 1g
26
Třída 1
Třída 1 0,5
Esterové číslo
mg KOH na 1g
Celk. obsah glycerolu
% hm.
0,24
Volný glycerol
% hm.
0,02
Fosfor
185
190
–1
20
1
10
mg.kg
Alkylické kovy K, Na
mg.kg–
Výhřevnost
Mj.kg
–1
37,1
37,1
Obr. 10 Vstřikovací tryska vznětového motoru po 1000 hodinách provozu na bionaftu (YUNG–SUNG LIN, HAI–PING LIN, 2011)
3.4.3 Automobilový benzin 3.4.3.1 Základní informace o automobilovém benzinu Automobilový benzin slouží jako palivo pro zážehové motory. Benzin je směs uhlovodíků vzniklých destilací ropy přibližně v rozmezí teplot 30 až 210 °C. Podíl benzinu vyrobeného běžnou destilací je malý a velmi málo odolný proti detonačnímu hoření – oktanové číslo pouze 62 až 64. Proto byly vyvinuty postupy, kterými se zvyšuje objem benzinu získaného z ropy s vyšším oktanovým číslem. Jedná se o: •
Reformování
•
Katalytické krakování
•
Polymerizace
•
Hydrogenace
27
•
Alkylace (VLK, 2006).
Složky, ze kterých je mísením vyráběn automobilový benzin, jsou souhrnně ozna-
čovány jako tzv. benzínový pool. Kromě složek získaných výše uvedenými postupy může benzin obsahovat aditiva zlepšující jeho vlastnosti. Jedná se zejména o: •
Detergenty
•
Antioxidanty
•
Protikorozní přísady
•
Modifikátory tření
•
Antidetonátory bez obsahu kovu (aromáty či organické sloučeniny kyslíku).
Do automobilového benzinu je v současnosti povinně přimícháván podíl 4,1 % bioetanolu (www.auto.cz).
3.4.3.2 Vlastnosti automobilového benzinu Vlastnosti automobilových benzinů jsou definovány v normě ČSN EN 228 (VLK, 2006). Oktanové číslo představuje základní charakteristiku automobilových benzinů, vyjadřující odolnost paliva vůči detonačnímu spalování (tzv. „klepání“) při kompresi ve válci zážehového spalovacího motoru. Je součástí označení paliva, uvádí se např. na stojanech benzinových pump. Oktanové číslo paliva vyjadřuje procentuální obsah izooktanu (oktanové číslo 100) ve směsi s n–heptanem (oktanové číslo 0), která je proti samozápalu stejně odolná jako zkoumané palivo. Oktanové číslo však může mít i hodnotu vyšší než 100 (lepší antidetonační odolnost než čistý izooktan). Stanovení oktanového čísla se provádí ve zkušebním jednoválcovém motoru s proměnlivým kompresním poměrem. Měří se dvěma způsoby – jako tzv. oktanové číslo výzkumnou metodou při 600 otáčkách za minutu a oktanové číslo motorovou metodou při 900 otáčkách za minutu. Oktanové číslo motorovou metodou je u běžných benzinů o cca 10 jednotek nižší. Oktanové číslo záleží na složení automobilového benzinu (bodu varu a struktuře přítomných uhlovodíků), případně je možné jej zvýšit antidetonačními přísadami – dříve se používala u tzv. olovnatých benzinů přísada tetraetylolova (TEO),
28
do současných bezolovnatých benzinů jsou jako antidetonátory používány organické sloučeniny , např. metylterciárbutyléter (MTBE) a etanol. (www.petroleum.cz). Zjišťování oktanového čísla na zkušebním motoru je velmi nákladné, proto byla pro rutinní kontrolu kvality benzinu a řízení jeho výroby vyvinuta metoda měření na základě stanovení infračerveného spektra benzinu. Pro certifikaci však normy stále požadují stanovení oktanového čísla na motoru.
Kromě oktanového čísla jsou na automobilové benziny kladeny především tyto požadavky : •
Dobrá odpařitelnost za nízkých teplot pro zajištění startovatelnosti.
•
Nesmí obsahovat těžší frakční podíly (nad 210 °C), aby nedocházelo ke smývání olejového filmu na stěně válce a ředění oleje v motorové skříni.
•
Malý obsah síry, která způsobuje korozi palivového systému, způsobuje pokles oktanového čísla benzinu a zvyšuje obsah škodlivin ve výfukových plynech motoru.
•
Nesmí obsahovat pryskyřice, které způsobují zanášení trysek a usazují se v sacím potrubí a na sacím ventilu.
•
Dlouhodobá
stabilita
zabezpečující
nízké
ztráty
při
skladování
(RAUSCHER,2005).
Požadované frakční složení je zjišťováno destilační zkouškou, při níž získáváme destilační křivku. Nejmenší teplota počátku destilační křivky je určován požadavky na minimální ztráty odparem při skladování a hledisky požární bezpečnosti. V našich podmínkách je tato teplota 30 až 35 °C. Při destilační zkoušce se zjišťují teploty, při kterých se předestiluje 10, 50, 90% paliva a také teplota na konci destilace (VLK, 2006).
29
Obr. 11 Destilační křivka automobilového benzínu pro silniční vozidla (RAUSCHER, 2005)
Tab. 5 Specifikace automobilových benzinů dodávaných společností UNIPETROL RPA, s.r.o. (www.unipetrolrpa.cz) Parametr
BA 95
BA 98
Oktanové číslo VM, min.
95
98
Oktanové číslo MM, min.
85
88
Vzhled
čirý a jasný
čirý a jasný
725 – 775
725 – 775
5
5
– odpař. množství při 70°C – % (V/V), léto
20 – 48
20 – 48
– odpař. množství při 70 °C – % (V/V), zima
22 – 50
22 – 50
– odpař. množství při 100 °C – % (V/V)
46 – 71
46 – 71
– odpař. množství při 150°C – % (V/V), min.
75
75
– konec destilace – °C, max.
210
210
Tlak nasycených par – kPa, léto
45 – 60
45 – 60
Tlak nasycených par – kPa, zima
60 – 90
60 – 90
Hustota při 15 °C – kg.m
–3
Obsah olova – mg/l, max. Destilační zkouška
30
Index těkavosti (duben a říjen), max.
1150
1150
Oxidační stabilita – minuty, min.
360
360
Mechanické nečistoty a voda
nepřítomné
nepřítomné
10
10
Obsah pryskyřic – mg.100cm , max.
5
5
Obsah benzenu – % (V/V), max.
1
1
Obsah aromátů – % (V/V), max.
35
35
Obsah olefinů – % (V/V), max.
18
18
Obsah kyslíku – % (M/M), min.
2,7
2,7
–1
Obsah síry – mg.kg
–3
3.4.4 Etanol 3.4.4.1 Základní informace o etanolu Etanol je chemická sloučenina C2H5OH získaná kvašením nebo syntetickou cestou. Jako palivo přichází v úvahu pouze etanol kvasný, neboť syntetický líh pochází z ropné suroviny a je výhodnější spalovat přímo ropné uhlovodíky. Etanol vyrobený ze zemědělských produktů se označuje jako bioetanol. Pro jeho výrobu slouží suroviny, obsahující jednoduché sacharidy nebo látky, které lze na jednoduché sacharidy převést – škrob a celulóza. Tyto látky obsahují běžně pěstované zemědělské plodiny – např. cukrová řepa, cukrová třtina, obilniny, brambory a také v dřevní odpady a trávy. Bioetanol vzniká z vhodných surovin kvasným způsobem působením enzymů při tzv. lihovém kvašení. Kvašení probíhá bez přístupu vzduchu v uzavřených fermentačních tancích při teplotě 27 až 32 °C po dobu 24 až 36 hodin. Výsledná koncentrace bioetanolu je 6–13 %, v závislosti na vstupní surovině. Vedlejším produktem kvašení je CO2. Následnou destilací vzniká nejvýznamnější vedlejší produkt výroby bioetanolu – lihové výpalky, které je možno zužitkovat jako krmivo pro hospodářská zvířata (VLK, 2006) . V našich podmínkách lze pro výrobu bioetanolu využít především cukrovou řepu a obiloviny. Při průměrném výnosu 48 740 kg.ha–1 bulev cukrové řepy s cukernatostí
31
16 % lze z 1 ha získat 4 755 litrů bioetanolu, avšak energetická bilance (energie na výstupu/energie na vstupu) je pouze 1,3 (VLK, 2006). Vyrábět bioetanol z obilovin je složitější než z cukrové řepy, protože se nejprve musí přeměnit škrob na jednoduché monosacharidy. Na výrobu jednoho litru bioetanolu je zapotřebí asi 2,8 kg obilí (VLK, 2004). Například v roce 2010 byl v Jihomoravském kraji průměrný hektarový výnos pšenice 5,05 t (www.czso.cz), z jednoho hektaru osetého pšenicí lze tedy získat asi 1803 litrů bioetanolu. Energetická bilance je ovšem ještě méně příznivá než v případě výroby bioetanolu z cukrové řepy, pouze 1,1 (VLK, 2006).
3.4.4.2 Vlastnosti bioetanolu Na vlastnosti etanolu jsou kladeny obdobné požadavky jako v případě automobilového benzinu. Etanol se využívá převážně ve směsi s benzinem, například E85 obsahující 85% etanolu a 15% benzinu. Dále se bioetanol, jak již bylo výše uvedeno, plošně přimíchává do automobilového benzinu. Aby se líh s benzinem mísil, musí být bezvodný. Požadavky na etanol jako palivo pro spalovací motory a k mísení směsí s benzinem jsou specifikovány v normě ČSN EN 15938. Základním problémem bioetanolu jako paliva je jeho cena, která je podstatně vyšší v porovnání s cenou uhlovodíkových paliv z ropy. Výrobní cena bioetanolu je až třikrát vyšší než výrobní cena motorové nafty, avšak jeho výhřevnost je pouze 26,8 MJ.kg–1 oproti 42,0 až 43,5 MJ.kg–1 v případě benzinu či 42,5 MJ.kg–1 u nafty. Spotřeba paliva v litrech na 100 km je u vozidla poháněného bioetanolem přibližně o 50 % vyšší než u pohonu benzinem (MATĚJOVSKÝ, 2005). Další nevýhodu etanolu představuje nutnost úpravy motoru a palivové soustavy, neboť odstraňuje olej, způsobuje korozi a poškozuje plastické hmoty. Přínos povinného přimíchávání bioetanolu do benzinu lze spatřovat ve využití přebytků zemědělské výroby.
32
Tab. 6 Vlastnosti nafty, benzinu a etanolu (http://www3.fs.cvut.cz) Měrné jednotky Hustota při 15°C
kg.m
–3 –1
Výhřevnost
kWh.kg
Výhřevnost
kWh.dm
Hmot. Podíl kyslíku
%
–3
Nafta
Benzín
Etanol
≈830
≈830
794
11,8
12
7,44
9,7
9,1
5,9
0
max. 2,7
34,7
95
108
11
8
Oktanové číslo VM Cetanové číslo
>51
3.5 Systémy tvorby směsi pístových spalovacích motorů 3.5.1 Systémy tvorby směsi vznětových motorů Vznětové motory spalují směs těžce odpařitelného kapalného paliva se vzduchem. Příprava směsi značně ovlivňuje důležité parametry motoru (užitečný výkon, emise výfukových plynů, spotřebu paliva a hluk spalování vznětového motoru). Tvoření směsi a průběh spalování je ovlivňován těmito činiteli: •
Začátek dodávky paliva a začátek vstřiku
•
Doba vstřiku a průběh vstřiku
•
Vstřikovací tlak
•
Směr vstřikování a počet vstřikovacích paprsků
•
Přebytek vzduchu
•
Rozvíření vzduchu (Vlk, 2006).
Palivo je do spalovacího prostoru vstřikováno před koncem kompresního zdvihu ve formě elementárních kapiček, které se působením kompresní teploty 800 až 900 °C odpaří a vzniklá hořlavá směs paliva se vzduchem se sama vznítí. Prodleva vznícení (čas mezi vstříknutím a vznícením paliva) se dle podmínek před začátkem hoření pohybuje v rozmezí 0,002 až 0,005 s. Žádoucí je co nejnižší prodleva vznícení, v opačném případě roste dynamické namáhání klikového ústrojí. Okamžik vstříknutí paliva by měl být zvolen tak, aby maximálního tlaku ve válci bylo dosaženo 10 °KH (pootočení klikového hřídele) za horní úvratí pístu. Rychlost hoření směsi se pohybuje mezi 20 až
33
50 m.s–1. Hmotnost vzduchu potřebného pro dokonalé spálení 1 kg paliva udává stechiometrický poměr. U vznětových motorů se stechiometrický poměr pohybuje mezi 14,3 až 14,5 kg vzduchu : 1 kg paliva, tomuto poměru odpovídá součinitel přebytku vzduchu
λ = 1. Výkon vznětového motoru je regulován kvalitativně, mění se poměr paliva se vzduchem. Bez zatížení pracují vznětové motory s velmi chudou směsí λ = 3,4 a při plném zatížení je směs obohacena až na λ = 1,4 (Bauer a kol., 2006). Spalováním paliva ve vznětovém motoru vzniká v zásadě voda (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Kromě těchto pro lidský organismus neškodných látek dochází také k emisím oxidu uhelnatého (CO), nespálených uhlovodíků (HC), oxidů dusíku (NOx), pevných
částic, oxidu siřičitého (SO2) a kyseliny sýrové (H2SO4). Tvorba škodlivých emisí je značně ovlivněna počátkem vstřiku paliva vzhledem k poloze pístu. Protichůdné jsou požadavky na počátek vstřiku z pohledu spotřeby paliva a emisí HC na jedné straně a emisí pevných částic a NOx na straně druhé (Vlk, 2006).
Obr. 12 Rozptylové pásmo emisí oxidů dusíku NOx a uhlovodíků HC v závislosti na počátku vstřiku (VLK, 2006)
34
Obr. 13 Průběh vstřikování motorové nafty, vstřikovací tlak 150 MPa při teplotě paliv 20 °C, palivová soustava Common Rail (ČUPERA, ŠMERDA) Podle tvaru spalovacího prostoru dělíme vznětové motory: •
Motory s děleným spalovacím prostorem
•
Motory s neděleným spalovacím prostorem.
3.5.1.1 Vznětové motory s děleným spalovacím prostorem Vznětové motory s děleným spalovacím prostorem se vyznačují vstřikováním paliva do komůrky v hlavě válce, která je jedním nebo více kanálky malých průměrů spojena s prostorem ve dně pístu. Nejrozšířenějšími typy komůrek jsou komůrky vírové a tlakové. Motory s nepřímým vstřikem paliva (komůrkové) jsou založeny na myšlence rozdělení procesu difúzního hoření paliva do dvou prostorů. K primárním spalinám nedokon-
čeného difúzního spalování bohaté směsi v prostoru u vstřikovací trysky (v komůrce), které obsahují kyslíkaté meziprodukty i tvořící se saze, je přiváděn v hlavním spalovacím prostoru dodatečný vzduch. Sekundární spalování primární směsi probíhá v turbulentním proudu vzniklém výtokem z komůrky. To omezuje tvorbu sazí i při nízkém přebytku vzduchu (λ= 1,3 – 1,6). Komůrkové spalování bylo rozšířeno při počát35
cích používání vznětových motorů, kdy pomohlo vyřešit tehdy nesplnitelné požadavky na vstřikovací zařízení pro přímý vstřik a omezit hluk motoru (Macek, 2007). Tlaková komůrka tvoří 30 až 50% objemu kompresního prostoru. Díky malému prů-
řezu spojovacích kanálů podstatně stoupne po vstřiku a vznětu paliva v komůrce tlak. Primárně vytvořená směs se po vznětu vefoukne do hlavního pracovního prostoru válce, promísí se s přebytkem vzduchu a dohoří. Díky přídavné energii získané z entalpického spádu během komprese jsou omezeny nároky na vstřikování paliva. Obvykle se palivo vstřikuje jednootvorovou tryskou s tlaky pouze 20–50 MPa před tryskou (Macek, 2007).
Obr. 14 Tlaková komůrka s proměnlivým průřezem hrdla (S.E.M.T.) (Macek, 2007)
Vírová komůrka tvoří 50–80% objemu kompresního prostoru. Využívá akumulace kinetické energie ze spádu entalpie válec – komůrka během kompresního zdvihu do úmyslně vytvořeného víru v komůrce vznikající tečným vyústěním spojovacího kanálu. Z důvodu vyšší účinnosti využití této energie postačuje dimenzování kanálu na menší rychlosti v porovnání s tlakovou komůrkou, což vede k menším ztrátám škrcením (Macek, 2007).
36
Obr. 15 Vírová komůrka Ricardo Comet III pro motor osobního automobilu (Macek, 2007)
3.5.1.2 Vznětové motory s neděleným spalovacím prostorem U vznětových motorů s neděleným spalovacím prostorem je palivo tryskou umístěnou ve středu hlavy válce vstřikováno do spalovacího prostoru vytvořeného ve dně pístu. Pro vstřikování paliva se používají víceotvorové trysky a v porovnání s komůrkovými motory je palivo vstřikováno vyšším tlakem. Při prodlevě vznícení paliva je do spalovacího prostoru dopraveno jen malé množství co nejlépe rozprášeného paliva – pilotní nebo stupňový vstřik. Malé množství paliva spotřebuje méně tepla pro své odpaření a zkrátí prodlevu vznícení. Vznícené palivo pilotní dávky dále zažehne hlavní dávku. V případě stupňového vstřiku nedochází k jednoznačnému oddělení obou dávek, v průběhu počátku vstřiku se ovšem průtok paliva omezí a jeho rozprášení zlepší. Dolet paprsku vstřikovaného paliva by neměl během prodlevy vznícení přesáhnout vzdálenost ke stěně spalovacího prostoru (Macek, 2007). K intenzivnímu víření vzduchu napomáhá tvar spalovacího prostoru a uspořádání sacího kanálu. Díky víření dochází k rovnoměrnému přístupu vzdušného kyslíku k hořlavým složkám vstřikovaného paliva, což napomáhá dokonalému spalování. Nej-
častěji používané jsou spalovací prostory Man, Hesselmann, Sauer a polokulový. 37
Tyto spalovací prostory mají oproti dělenému spalovacímu prostoru lepší poměr mezi povrchem a objemem spalovacího prostoru a spalovací prostor umístěný ve dně pístu je chlazen nepřímo . Díky tomu dochází k menším tepelným ztrátám což se projevuje nižší měrnou spotřebou paliva v porovnání s komůrkovými motory (210 – 245 g/kWh) (Bauer a kol., 2006).
Obr. 16 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva 1) Hesselmann, 2) Man, 3) Bauer, 4) Polokulový (BAUER a kol., 2006) Mezi výhody vznětových motorů s přímým vstřikem paliva oproti motorům s komůrkou patří nižší měrná spotřeba paliva, lepší startovatelnost motoru za nízkých teplot a jednodušší konstrukce hlavy válce. Naopak nevýhodou přímého vstřiku jsou vyšší tlaky ve válci vedoucí k většímu opotřebovávání částí motoru a tvrdšímu chodu motoru, potřeba velmi jemného rozprášení paliva ve spalovacím prostoru a vyšší nároky na kvalitu paliva.
3.5.2 Systémy tvorby směsi zážehových motorů Zážehové motory spalují směs lehce odpařitelného kapalného paliva nebo plynu se vzduchem. Stechiometrický poměr směsi je 14,7 kg vzduchu : 1 kg paliva. Zážehové motory dosahují nejvyššího výkonu při λ= 0,85 až 0,95, nejnižší spotřeby při λ= 1,1 až 1,2 a bezvadný volnoběh při λ= 1. Po startu za nízkých teplot je směs paliva se vzdu38
chem ochuzována vlivem nedostatečného promíchání a srážení paliva na stěnách, proto je nutné krátkodobé obohacení směsi palivem. Pro zpracování emisí v třícestném katalyzátoru je bezpodmínečně nutné udržet složení směsi paliva se vzduchem λ= 0,99 až 1 (tzv. lambda okno), pouze v tomto rozsahu dokáže katalyzátor účinně zpracovávat CO, HC a NOx ve výfukových plynech na CO2, H2O a N2. Udržení takto úzkého rozsahu složení směsi je dosaženo pomocí lambda regulace – lambda sonda měří obsah kyslíku ve výfukových plynech před katalyzátorem. Lambda regulace je uvedena do provozu až při překročení určité prahové teploty (VLK, 2006). Směs paliva se vzduchem může být u zážehových motorů odměřována a tvořena pomocí: •
Karburátoru (u automobilů dnes již nepoužívané)
•
Vstřikováním paliva do sacího potrubí (tzv. nepřímé vstřikování)
•
Vstřikováním paliva do válce (tzv. přímé vstřikování).
3.5.2.1 Vstřikování benzinu Na rozdíl od karburátorů, u kterých bylo palivo z rozprašovače odsáváno do proudícího vzduchu podtlakem, u motorů se vstřikováním je palivo rozprašováno do proudícího vzduchu přetlakem pomocí vstřikovací trysky. Pouze kombinace elektronicky řízeného vstřikování paliva s regulací lambda sondou a katalyzátorem dokáže splnit současné požadavky na čistotu výfukových plynů (Rauscher, 2005). Rozeznáváme tyto způsoby vstřikování benzinu : •
Centrální vstřikování
•
Vícebodové vstřikování
•
Přímé vstřikování.
39
Obr. 17 a) jednobodové (centrální) vstřikování, b) vícebodové vstřikování, c) přímé vstřikování (RAUSCHER, 2005)
U centrálního vstřikování se vstřikuje palivo v jednom místě sacího potrubí společného pro všechny válce motoru. Elektromagnetem ovládaný vstřikovací ventil umístěním odpovídá karburátoru (VLK, 2006). Velká vzdálenost přívodu paliva do nasávaného vzduchu od snímače obsahu kyslíku ve výfukových plynech má však nepříznivý vliv na rychlost požadované změny složení směsi. U vícebodového vstřikování je palivo vstřikováno pro každý válec vlastní tryskou do sacího kanálu bezprostředně k sacímu ventilu (FERENC, 2004). Podle průběhu může být vícebodové vstřikování : •
Simultární – ke vstřikování všech ventilů dochází v jeden okamžik daný pevně předem, dvakrát během jednoho cyklu.
•
Skupinové – vstřikovací ventily rozděleny do dvou skupin, každá skupina vstřikuje jednou za cyklus. Jedna otáčka klikového hřídele tvoří odstup obou skupin.
•
Sekvenční – vstřikovací ventily jsou ovládány nezávisle na sobě (VLK, 2006).
V případě přímého vstřikování se do spalovacího prostoru nejprve přivede čerstvý vzduch, případně jeho směs s recirkulovanými spalinami. Následně je palivo vstřikováno tryskou přímo do spalovacího prostoru, velký důraz je kladen na jemné rozprášení paliva. Na rozdíl od vznětového motoru nesmí docházet ke vznícení směsi. K regulaci výkonu motoru dochází dávkováním paliva, proto je složení směsi proměnlivé. Při nízkém zatížení motoru dochází k vrstvenému plnění, kolem zapalovací svíčky je směs bohatá, kterou lze dobře zapálit, obklopená oblastí chudé směsi. Celkově je směs
40
ve válci velmi chudá. Při přechodu do vyšších otáček a vyššího výkonu se přechází k homogennímu provozu, směs má stechiometrický poměr, případně mírný přebytek paliva (Ferenc, 2004). Přímé vstřikování přináší díky možnosti vrstveného plnění úsporu paliva.
41
4 MATERIÁL A METODIKA 4.1 Zkoumaná paliva Měření dynamické viskozity a hustoty při teplotách –10 až 40 °C, respektive –10 až 80 °C byla podrobena konvenční paliva motorová nafta, benzin Natural 95, biopaliva metylester řepkového oleje, etanol a tyto jejich směsi: • E 50 (50% etanol, 50% benzin) • E 85 (85% etanol, 15% benzin) • Tzv. bionafta druhé generace (70% motorová nafta, 30% MEŘO) • Směs 50% motorová nafta a 50% MEŘO
4.2 Měření dynamické viskozity 4.2.1 Viskozimetr Měření dynamické viskozity výše uvedených paliv bylo provedeno na rotačním viskozimetru Anton Paar DV–3P, který měří kroutící moment rotujícího vřetena ponořeného do vzorku. Tento viskozimetr měří krouticí sílu nutnou k překonání odporu u rotujícího válce nebo disku ponořeného v měřené kapalině. Rotující válec či vřeteno je propojeno přes pružinu s hřídelí motoru, který se točí definovanou rychlostí. Úhel pootočení hřídele je měřen elektronicky a poskytuje přesnou informaci o poloze hřídele, případně vřetene. Z měřených hodnot je na základě vnitřních výpočtů přímo zobrazena hodnota dynamické viskozity v [mPa.s]. U kapalin konstantní viskozity roste odpor vůči pohybu s velikostí vřetena. Rozsah měření pro stanovení dynamické viskozity materiálu může být přizpůsoben zvolením vhodné kombinace vřetene a rychlosti otáčení (SEVERA, 2008).
42
Obr. 18 Schematické znázornění mechanismu měření (SEVERA, 2008)
Technické údaje použitého přístroje: •
Rozsahy měření pro standardní vřetena: DV–3P L: 15 *) do 2 000 000 mPa.s = 15 **) do 2 000 000 mPa.s DV–3P R: 100 *) do 13 000 000 mPa.s = 100 **) do 13 000 000 mPa.s DV–3P H: 0,16 **) do 106 000 Pa.s = 1,6 *) do 1 060 000 mPa.s
•
Rozlišení:
pro adaptér „nízká viskozita“: 0,01 viskozita < 10 000 mPa.s: 0,1 viskozita > 10 000 mPa.s: 1
•
Přesnost:
+/– 1 % z plného rozsahu
•
Opakovatelnost:
+/– 0,2 % z plného rozsahu
43
Obr. 19 Měření dynamické viskozity paliv rotačním viskozimetrem Anton Paar
4.2.2 Postup měření dynamické viskozity K měření bylo použito standardizované vřeteno s označením LCP. Toto vřeteno je nejvíce vhodné pro kapaliny s nízkou viskozitou, jako mají měřené vzorky paliv. Do kyvety jsme odměřili 600 ml zkoumaného paliva a ochladili na teplotu –10 °C. Na viskozimetru jsme nastavili otáčky vřetene 100 za minutu a vzorkování po 2 s. Kyvetu s měřeným vzorkem jsme umístili do měřícího prostoru rotačního viskozimetru a vložili do ní měřící vřeteno LCT. Po spuštění měření dynamické viskozity jsme zapnuli ohřívání. Při dosažení teploty 80, respektive 40 °C došlo k vypnutí měření i ohřevu a pomocí speciálního softwaru byly data přeneseny do počítače, kde byly dále zpracovávány v programu Microsoft Excel. Postup jsme opakovali pro vzorky všech zkoumaných paliv a jejich směsí.
44
4.3 Měření hustoty 4.3.1 Hustoměr Hustota byla měřena přenosným hustoměrem Densito 30 PX od firmy Mettler Toledo s těmito základními parametry : •
Měřící rozsah:
0 až 2000 kg.m–3
•
Rozlišení:
0,1 kg.m–3
•
Přesnost:
±1 kg.m–3
Dále byl při měření hustoty použit digitální teploměr GTH 1170 (NiCR–Ni) od německého výrobce Greisinger o základních parametrech: •
Měřící rozsahy:
–65,0 až +199,9 °C / –65,0 až +1150,0 °C
•
Rozlišení:
0,1 °C / 1 °C
•
Přesnost:
±0,05 % / ±0,1 %
Obr. 20 Měření hustoty paliv v závislosti na teplotě
45
4.3.2 Postup měření hustoty Do kyvety jsme odměřili 250 ml zkoumaného paliva ochlazeného na teplotu nižší než –10 °C a umístili na ohřívací zařízení. Do měřeného vzorku paliva jsme ponořili sondu digitálního teploměru GTH 1170 a zapnuli ohřev. Při dosažení teploty –10 °C jsme provedli měření hustoty přenosným hustoměrem Densito 30 PX. Měření hustoty jsme dále prováděli vždy po ohřátí vzorku o 5 °C až do teploty 40 °C. Toto měření jsme provedli u všech zkoumaných vzorků paliv.
46
5 VÝSLEDKY A DISKUZE 5.1 Motorová nafta, metyl ester řepkového oleje a jejich směsi Na vzorcích motorové nafty, MEŘA a směsích obsahujících naftu s podílem 30 a 50 % MEŘA bylo provedeno měření závislosti dynamické viskozity na teplotě v rozmezí –10 až 80 °C. Na následujícím grafu (obr. 21) jsou znázorněny naměřené hodnoty jednotlivých vzorků proložené polynomem 3. stupně při použití vztahu:
f ( x ) = a3 x 3 + a 2 x 2 + a1 x + a0
(11)
Pro výpočet teplotní závislosti dynamické viskozity je rovnice (11) upravena do tvaru :
η (t ) = a3t 3 + a 2 t 2 + a1t + a0 [mPa.s]
(12)
6
Dynamická viskozita, mPa.s
5
4
3
2
1
0 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Teplota, °C
Motorová nafta
50% MEŘO
30% MEŘO
100% MEŘO
Obr. 21 Teplotní závislost dynamické viskozity motorové nafty, MEŘA a jejich směsí Přesnost proložených funkcí byla určena koeficientem determinace R2. Hodnoty Koeficientu determinace jednotlivých vzorků jsou uvedeny v tabulce 7. V tabulce 8 jsou uvedeny hodnoty konstant a3, a2, a1 a a0 rovnic polynomů 3. stupně.
47
Tab. 7 Hodnoty koeficientů determinace polynomu 3. stupně Palivo Koeficient determinace R
2
Motorová nafta
30% MEŘO
50% MEŘO
100% MEŘO
0,99
0,98
0,98
0,99
Tab. 8 Hodnoty konstant rovnic polynomů 3. stupně Palivo Motorová nafta 30% MEŘO 50% MEŘO 100% MEŘO
a3
a2 –0,000002 –0,000006 –0,000004 –0,000011
a1 0,000399 0,000909 0,000694 0,001760
a0 –0,034567 –0,055897 –0,054630 –0,103920
2,867499 2,850048 3,480260 4,519802
Tabulka 9 zobrazuje hodnoty dynamické viskozity zkoumaných paliv v rozmezí pěti stupňů Celsia.
Tab. 9 Teplotní závislost dynamické viskozity mot. nafty, MEŘA a jejich směsí Teplota (°C) –10°C –5°C 0°C 5°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C 65°C 70°C 75°C 80°C
Dynamická viskozita (mPa.s) Mot. nafta 30% ME ŘO – 3,468 3,011 3,196 2,864 2,685 2,711 2,459 2,549 2,361 2,438 2,269 2,315 2,158 2,216 1,977 2,144 1,893 2,062 1,727 2,015 1,750 1,918 1,650 1,850 1,581 1,793 1,513 1,748 1,436 1,694 1,417 1,645 1,371 1,607 1,362 1,532 1,258
50% MEŘO 4,011 3,816 3,509 3,204 2,983 2,811 2,622 2,479 2,331 2,287 2,220 2,075 2,022 1,953 1,883 1,837 1,841 1,686 1,731
100%MEŘO – 5,091 4,447 3,905 3,546 3,321 3,088 2,861 2,689 2,650 2,549 2,480 2,395 2,160 2,087 2,097 2,084 1,998 1,929
Měření potvrdilo předpokládaný pokles viskozity se vzrůstající teplotou. Je zřejmé, že teplotní závislost dynamické viskozity je značně vzdálená od závislosti lineární. Nejvyšší závislost dynamické viskozity na teplotě byla zjištěna u „čistého“ metylesteru
řepkového oleje. Při teplotě –5 °C byla naměřena dynamická viskozita MEŘA 5,091 mPa.s. Na konci měření, při 80 °C, byla zjištěna dynamická viskozita 1,929 mPa.s, což představuje pokles o 62,1% oproti počátku měření. Naopak nejnižší teplotní závislostí 48
dynamické viskozity se vyznačuje motorová nafta. Dynamická viskozita 3,011 mPa.s na počátku měření poklesla u motorové nafty o 49,1 % na 1,532 mPa.s. Dále byla u zkoumaných vzorků změřena jejich hustota při teplotách –10 až 40 °C. Naměřené hodnoty teplotní závislosti hustoty jsou zaznamenány v tabulce 10.
Tab. 10 Teplotní závislost hustoty mot. nafty, MEŘA a jejich směsí Teplota °C –10 –5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
–3
Hustota (kg.m ) Mot. nafta 841 838 839 840 839 838 835 832 830 827 824
30% ME ŘO 855 854 852 850 849 848 846 843 841 838 836
50% MEŘO 857 860 860 861 861 859 857 854 852 849 847
100% MEŘO 888 887 888 887 885 884 881 879 876 874 871
Graficky jsou výsledky tohoto měření proložené znázorněny na obr. 22 proloženy lineární funkcí: f ( x ) = a1 x + a0
(13)
Pro výpočet teplotní závislosti hustoty je rovnice (13) upravena do tvaru :
ρ (t ) = a1t + a0
(14)
Hustota, kg.m
-3
900 880 860 840 820 800 -10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Teplota, °C
Motorová nafta
30% MEŘO
50% MEŘO
100% MEŘO
Obr. 22 Teplotní závislsot hustoty motorové nafty, MEŘA a jejich směsí
49
Koeficienty korelace R proložených lineárních funkcí jsou uvedeny v tabulce 11. Hodnoty konstant a1 a a0 rovnic těchto lineárních funkcí jsou zaznamenány v tabulce 12. Tab. 11 Hodnoty koeficientů korelace lineárních funkcí Palivo Koeficient korelace R
Mot. nafta
30% MEŘO
50% MEŘO
100% MEŘO
0,85
0,98
0,69
0,92
Tab. 12 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí Palivo Motorová nafta 30% MEŘO 50% MEŘO 100% MEŘO
a1 –0,32 –0,38 –0,25 –0,35
a0 839,62 852,25 859,80 887,08
Nejvyšší teplotní závislost hustoty byla měřením zjištěna u směsi motorové nafty s obsahem 30% MEŘO. Hustota 855 kg.m–3 na počátku měření poklesla o 2,22% na 836 kg.m–3. Pro smysluplné porovnání vlastností zkoumaných vzorků musíme vybrat srovnávací teplotu. Podle normy ISO 8217 je srovnávací teplota pro předestilované kapaliny 40 °C. V tabulce 13 je vytvořen podrobný přehled dynamických viskozit a hustoty motorové nafty, MEŘA a jejich směsí při srovnávací teplotě 40 °C.
Tab. 13 Dynamická viskozita a hustota mot. nafty, MEŘA a jejich směsí při 40°C Palivo
Mot. nafta
30% MEŘO
50% MEŘO
100% MEŘO
Dynamická viskozita (mPa.s)
2,015
1,750
2,222
2,549
–3
824
836
847
871
Hustota (kg.m )
Graficky je závislost dynamické viskozity a hustoty motorové nafty na obsahu MEŘA znázorněna na obr. 23 respektive 24. Grafy jsou proložené lineární funkcí dle rovnice (14). Hodnoty konstant rovnic proložených lineárních funkcí jsou uvedeny v tabulce 14.
Tab. 14 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí Konstanta Lineární závislost dyn. viskozity Lineární závislost hustoty
a1 0,0065 0,4755
50
a0 1,8417 823,1
Dynamická viskozita, mPa.s
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Obsah MEŘO, %
Dynamická viskozita
Obr. 23 Závislost dynamické viskozity mot. nafty na obsahu MEŘA při 40°C
870
Hustota, kg.m
-3
880
860 850 840 830 820 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Obsah M EŘO
Hustota
Obr. 24 Závislost hustoty motorové nafty na obsahu MEŘA při 40°C Dle předpokladu se dynamická viskozita i hustota zvyšovala s rostoucím podílem metylesteru řepkového oleje. Koeficient korelace R proložených lineárních funkcí nabyl hodnot 0,65 pro dynamickou viskozity, respektive 0,99 v případě závislosti hustoty motorové nafty na obsahu MEŘA.
5.2 Automobilový benzin, etanol a jejich směsi Obdobná měření jako u výše uvedených paliv byla provedena také na vzorcích automobilového benzinu Natural 95, etanolu a směsích benzinu s obsahem 50 a 85 % etanolu. Z důvodu vyšší těkavosti těchto paliv byla měření prováděna pouze v rozsahu –10 až 40 °C. Na obr. 25 jsou graficky znázorněny výsledky měření teplotní závislosti dynamické viskozity proložené polynomem 3. stupně vypočítaného podle rovnice (12).
51
Tabulka 15 uvádí koeficienty determinace proložených funkcí. V tabulce 16 jsou zaznamenány hodnoty konstant rovnic těchto funkcí.
Dynamická viskozita, mPa.s
2,5
2
1,5
1
0,5
0 -10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Teplota, °C
Natural 95
E50
E85
E100
Obr. 25 Teplotní závislost dynamické viskozity automobilového benzinu, etanolu a jejich směsí
Tab. 15 Hodnoty koeficientů determinace polynomu 3. stupně Palivo Koeficient determinace R
Natural 95
E50
E85
Etanol
0,78
0,93
0,96
0,96
2
Tab. 16 Hodnoty konstant rovnic polynomů třetího stupně Palivo
Natural 95 E50 E85 E100
a3
a2
0,0000010 0,0000002 0,0000001 0,0000100
a1
0,000030 0,000007 0,000087 –0,000496
a0
–0,003849 –0,007775 –0,015987 –0,010001
1,136426 1,613160 1,771521 1,953347
Číselně jsou výsledky měření teplotní závislosti dynamické viskozity benzinu, etanolu a jejich směsí uvedeny v tabulce 17.
52
Tab. 17 Teplotní závislost dynamické viskozity benzinu, etanolu a jejich směsí Teplota (°C) –10°C –5°C 0°C 5°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C 35°C 40°C
Dynamická viskozita (mPa.s) Benzin E50 1,229 1,679 1,132 1,674 1,137 1,600 1,132 1,571 1,105 1,530 1,095 1,493 1,088 1,475 1,065 1,433 1,043 1,390 1,075 1,360 1,047 1,325
E85 1,860 1,886 1,787 1,701 1,602 1,533 1,484 1,447 1,369 1,341 1,279
E100 1,947 2,006 1,967 1,882 1,793 1,739 1,619 1,533 1,494 1,425 1,393
Také při měření vzorků benzinu natural 95, etanolu a jejich směsí se potvrdila předpokládaná závislost dynamické viskozity na teplotě. Nejvyšší závislost dynamické viskozity na teplotě byla zjištěna u paliva E85. Dynamická viskozita se u tohoto paliva snížila z 1,860 mPa.s při –10 °C na 1,279 mPa.s za teploty 40 °C, což představuje pokles o 31,2 %. Naopak nejnižší teplotní závislostí dynamické viskozity se z měřených paliv projevila u automobilového benzinu, v průběhu měření se snížila z počátečních 1,229 mPa.s na 1,047 mPa.s, tedy o 14,8 %. Dynamická viskozita benzinu, etanolu, E 50 a E85 je především při nižších teplotách výrazně nižší než v případě motorové nafty, MEŘA a jejich směsí. Rovněž závislost dynamické viskozity na teplotě není natolik výrazná. V tabulce 18 jsou zapsány výsledky měření teplotní závislosti hustoty zkoumaných vzorků.
Tabulka 18 Teplotní závislost hustoty benzinu, etanolu a jejich směsí Teplota °C –10 –5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
–3
Hustota (kg.m ) Natural 95 766 765 762 761 758 755 752 749 745 743 735
E50 777 780 778 777 775 773 769 765 762 760 754
53
E85 795 794 792 791 789 787 783 779 775 772 769
E100 803 802 800 799 797 794 791 788 785 781 778
Obr. 26 zobrazuje v grafické podobě výsledky měření hustoty paliv. Při proložení výsledků lineární funkcí dle rovnice (14) se korelační koeficienty pohybovaly v rozmezí 0,91 až 0,97. V tabulce 19 jsou uvedeny hodnoty konstant rovnic proložených lineárních funkcí.
Tabulka 19 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí Palivo Natural 95 E50 E85 E100
a1 –0,5891 –0,4964 –0,5436 –0,5127
a0 762,56 777,45 792,34 800,24
820
Hustota, kg.m
-3
800 780 760 740 720 -10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Teplota, °C
Natural 95
E 50
E85
Etanol
Obr. 26 Teplotní závislost změny hustoty benzinu natural 95, etanolu a jejich směsí Nejvyšší teplotní závislost hustoty byla zjištěna u benzinu, u kterého hustota poklesla z počátečních 766 kg.m–3 o 4,0% na 735 kg.m–3. Naopak nejnižší závislost hustoty na teplotě byla zjištěna u paliva E50. V tomto případě konečná hustota 754 kg.m–3 představuje pokles o 2,9% oproti 777 kg.m–3 na počátku měření.
Tab. 20 Dynamická viskozita a hustota benzinu natural, etanlu a jejich směsí při 40°C Palivo Dynamická viskozita (mPa.s)
Natural 95 1,047
E50 1,325
E85 1,279
Etanol 1,393
–3
735
754
769
778
Hustota (kg.m )
54
Tabulka 21 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí Koeficient Lineární závislost dyn. viskozity Lineární závislost hustoty
a1 0,003 0,4224
a0 1,083 734,18
Dynamická viskozita, mPa.s
1,6
1,2
0,8
0,4
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Obsah etanolu, %
Dynamická viskozita
Obr. 27 Závislost dynamické viskozity automobilového benzinu na obsahu etanolu při 40°C
Hustota, kg.m -3
780 770 760 750 740 730 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Obsah etanolu, %
Hustota
Obr. 28 Závislost hustoty automobilového benzinu na obsahu etanolu při 40°C
Srovnání dynamické viskozity a hustoty zkoumaných paliv při 40 °C (dle ISO 8217) je uvedeno v tabulce 20 a graficky znázorněno na obr. 27 a 28. Grafy jsou proloženy lineární funkcí dle rovnice (14) s koeficientem korelace R= 0,80 u dynamické viskozity, respektive R= 0,99 v případě hustoty. Hodnoty konstant rovnic proložených lineárních funkcí jsou uvedeny v tabulce 21. Dle předpokladu došlo k růstu dynamické viskozity i hustoty se zvyšujícím se podílem etanolu. 55
6 ZÁVĚR Výše uvedená měření byla prováděna za účelem zjištění vlastností paliv pro pístové spalovací motory při různých teplotách s rostoucím podílem biosložky v motorové naftě, respektive automobilovém benzinu. Znalost této problematiky nabývá na významu s ohledem na plány Evropské unie využívat v roce 2020 v dopravě 10 % paliv z obnovitelných zdrojů. V této práci byla měřena dynamická viskozita a hustota paliv pro vznětové i zážehové spalovací motory. Jednalo se o motorovou naftu, MEŘO a směsi motorové nafty obsahující 30 %, respektive 50 % MEŘO určené pro spalování ve vznětových motorech. Pro použití v zážehových motorech byl zkoumán automobilový benzin, etanol a směsi benzinu s 50 %, respektive 85 % etanolu. U paliv pro vznětové motory byla měřena dynamická viskozita v rozmezí teplot –10 až 80 °C rotačním viskozimetrem Anton Paar. V souladu s očekáváním došlo u všech zkoumaných vzorků se vzrůstající teplotou k poklesu viskozity. Při teplotách –10 až 40 °C byla u testovaných vzorků měřena též hustota. S rostoucí teplotou došlo u všech vzorků k poklesu hustoty. Vzhledem ke značné teplotní závislosti dynamické viskozity i hustoty, byla v souladu s normou ISO 8217 vybrána srovnávací teplota 40 °C. Dynamická viskozita zkoumaných vzorků se při této teplotě pohybovala v rozmezí 1,750 až 2,549 mPa.s a hustota 824 až 871 kg.m–3. Byl zjištěn nárůst dynamické viskozity i hustoty s rostoucím podílem MEŘA v motorové naftě. Protože společnost Bosch dovoluje pro svoje palivové systémy používat pouze paliva odpovídající standardu EN 590, rozhodl jsem se výsledky měření porovnat s požadavky kladenými normou ČSN EN 590 (motorová nafta). Dle ČSN EN 590 se musí kinematická viskozita při 40 °C pohybovat mezi 2,00 až 4,50 mm2.s–1 a hustota při 15 °C je stanovena na 820 až 845 kg.m–3. Požadavky na hustotu splnila pouze motorová nafta a směs bionafty s obsahem 30 % MEŘO. Kinematická viskozita zkoumaných vzorků se po přepočtu z dynamické viskozity pohybovala mezi 2,09 až 2,92 mm2.s–1. Všechny vzorky vyhověly požadavkům normy ČSN EN 590 na viskozitu. Obdobná měření byla prováděna také u paliv určených pro provoz zážehových motorů. Z důvodu vyšší těkavosti automobilového benzinu i etanolu byla dynamická viskozita i teplota měřena v rozmezí teplot –10 až 40 °C. U všech zkoumaných vzorků došlo se vzrůstající teplotou k poklesu dynamické viskozity i hustoty. Při srovnávací teplotě 40 °C se dynamická viskozita zkoušených vzorků pohybovala v rozmezí 56
1,047 až 1,393 mPa.s a hustota 735 až 785 kg.m–3. S rostoucím podílem etanolu obsaženém v automobilovém benzinu došlo k růstu hustoty i dynamické viskozity. Vhodnost zkoumaných paliv pro použití v běžném zážehovém motoru z hlediska jejich hustoty jsem zjišťoval porovnáním výsledků měření s požadavky danými normou
ČSN EN 228 (automobilový benzin Natural 95). Tato norma stanovuje hustotu paliva při 15 °C na 720 až 775 kg.m–3. Požadavkům na hustotu nevyhovělo palivo E85 a E100. Výsledky měření viskozity paliv pro zážehové motory jsem porovnal s americkou normou ASTM D 445. Tato norma požaduje při 40 °C kinematickou viskozitu 0,8 mm2.s–1 v případě benzinu a 1,5 mm2.s–1 pro etanol. Po přepočtu z dynamické viskozity byla kinematická viskozita automobilového benzinu 1,424 a etanolu 1,790 mm2.s–1. Zkoumané vzorky benzinu i etanolu byly mimo limity ASTM D 445. Teplotní závislost dynamické viskozity paliv byla matematicky modelována pomocí polynomu třetího stupně. Koeficienty determinace vložených funkcí se pohybovaly v rozmezí R2 = 0,78 až 0,99. Teplotní závislost hustoty a změny dynamické viskozity a hustoty s rostoucím podílem biosložky v konvenčních palivech byly modelovány pomocí lineární funkce. Hodnoty koeficientů korelace R lineárních funkcí se pohybovaly v rozmezí 0,65 až 0,99. Navržené matematické modely mohou být použity k predikci dynamické viskozity a hustoty motorové nafty, automobilového benzinu, metylesteru řepkového oleje, etanolu a jejich směsí.
57
LITERATURA
1. BAUER F., Sedlák P. a Šmerda T., 2006: Traktory. Profi Press, Praha, 192 s. 2. BUCHAR J., 1990: Fyzika I. Vysoká škola zemědělská v Brně, Brno, 198 s. 3. CÍLEK V., 2007: Alternativa budoucnosti. Databáze online [cit. 2012–02–02]. Dostupné na: http://www.petrol.cz 4. DRAGOUN A., 2010: Podíl biosložek v palivech. Databáze online [cit. 2012–02–08]. Dostupné na: http://www.auto.cz 5. HOEKMANNEN K. S. a kol., 2012: Recenze bionafty složení, vlastnosti a specifikace. Databáze online [cit. 2012–02–06]. Dostupné na: http://www.scopus.com 6. KASKA S., KAPINUS L., 2005: Měření hustoty kapalin. Databáze online [cit. 2012–03–11]. Dostupné na: http://mvt.ic.cz 7. LAURIN J., 2006: Motory na paliva s kvasným lihem. Databáze online [cit. 2012– 02–08]. Dostupné na:
8. MACEK J., 2007: Spalovací motory I. Nakladatelství ČVUT, Praha, 260 s. 9. MATĚJOVSKÝ V., 2005: Automobilová paliva. Grada Publishing, Praha, 224 s. 10. MURPHY F. a kol., 2011: Vyhodnocení viskozity a hustoty paliva vyrobeného pyrolýzou ve směsi s konvenční motorovou naftou ve vztahu k dodržování specifikace paliva
EN
590:2009.
Databáze
online
[cit.
2012–02–06].
Dostupné
na:
http://www.scopus.com 11. RAUSCHER, J., 2005: Spalovací motory. Studijní opory VUT v Brně. 12. VLK F., 2004: Alternativní pohony motorových vozidel. František Vlk, Brno, 234 s. 13. VLK F., 2006: Paliva a maziva motorových vozidel. František Vlk, Brno, 376 s. 14. SEVERA, L., 2008: Tixotropní chování vybraných druhů potravin. Habilitační práce. MENDELU v Brně, Brno, 113 s. 15. YUNG–SUNG LIN, HAI–PING LIN, 2011: Stříkací charakteristiky emulgované ricinové bionafty, vliv na emise motoru a tvorbu úsad. . Databáze online [cit. 2012– 02–06]. Dostupné na: http://www.scopus.com 16. ASTM D 445, 2001: Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (the Calculation of Dynamic Viscosity), ASTM International, 13 s.
58
17. ČSN EN 228, 2008: Motorová paliva – Bezolovnaté automobilové benziny – Technické požadavky a metody zkoušení. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 20 s. 18. ČSN EN 590 + A1, 2010: Motorová paliva – Motorové nafty – Technické požadavky a metody zkoušení. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 16 s. 19. Historie zpracování ropy. Databáze online [cit. 2012–02–02]. Dostupné na: 20. Hustoměry
digitální.
Databáze
online
[cit.
2012–03–11].
Dostupné
na:
http://www.verkon.cz/hustomery–prenosne/ 21. Hustota ropných produktů. Databáze online [cit. 2012–03–11]. Dostupné na: http://cesmina.vscht.cz/trp/images/Dokuments/Navody–na–laboratore/Hustota– ropnych–produktu–bac+mag.pdf 22. Měření koeficientu dynamické viskozity. Databáze online [cit. 2012–02–05]. Dostupné na: < http://tpm.fsv.cvut.cz/student/documents/files/MAIN/cviceni5.pdf> 23. Srovnání různých měřících technik pro hustotu a index lomu. Databáze online [cit. 2012–03–11].
Dostupné
na:
http://cs.mt.com/cz/cs/home/supportive_content/product_information_faq/Comparis ion_measuring_methods_for_DERE.html 24. Technologické schéma rafinérie Kralupy nad Vltavou. Databáze online [cit. 2012– 02–02]. Dostupné na: < http://www.crc.cz/cz/technologicke–schema.aspx> 25. Výkladpvý
slovník.
Databáze
online
[cit.
2012–02–05].
Dostupné
na: <
http://www.petroleum.cz/slovnik.aspx> 26. Základy reologie a reometrie kapalin. Databáze online [cit. 2012–02–04]. Dostupné na: 27. Zemědělství – časové řady. Databáze online [cit. 2012–02–11]. Dostupné na: http://www.czso.cz
59
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Technologické schéma rafinerie Kralupy nad Vltavou (www.crc.cz)................. 11 Obr. 2 Kapalina mezi dvěma rovinnými deskami (KUMBÁR, 2010) ............................ 13 Obr. 3 Schema Höpplerova kuličkového viskozimetru (www.kf.upce.cz)...................... 15 Obr. 5 Schema základních typů uspořádání rotačních viskozimetrů (www.kf.upce.cz) 16 Obr. 6 Ponorný hustoměr (www.laboratorni–potreby.cz) .............................................. 18 Obr.7 Pyknometr (www.laboratorni–potreby.cz) ........................................................... 19 Obr. 8 Mohrovy váhy (http://mvt.ic.cz) .......................................................................... 19 Obr. 9 Přenosný digitální hustoměr Densito 30 PX (www.verkon.cz) .......................... 20 Obr. 10 Vstřikovací tryska vznětového motoru po 1000 hodinách provozu na bionaftu (YUNG–SUNG LIN, HAI–PING LIN, 2011)................................................................ 27 Obr. 11 Destilační křivka automobilového benzínu pro silniční vozidla........................ 30 Obr. 12 Rozptylové pásmo emisí oxidů dusíku NOx a uhlovodíků HC v závislosti na počátku vstřiku (VLK, 2006) .......................................................................................... 34 Obr. 13 Průběh vstřikování motorové nafty, vstřikovací tlak 150 MPa při teplotě paliv 20 °C, palivová soustava Common Rail (ČUPERA, ŠMERDA) ................................... 35 Obr. 14 Tlaková komůrka s proměnlivým průřezem hrdla (S.E.M.T.) (Macek, 2007)... 36 Obr. 15 Vírová komůrka Ricardo Comet III (Macek, 2007) .......................................... 37 Obr. 16 Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva 1) Hesselmann, 2) Man, 3) Bauer, 4) Polokulový (BAUER a kol., 2006) ................................................................. 38 Obr. 17 a) jednobodové (centrální) vstřikování, b) vícebodové vstřikování, c) přímé vstřikování (RAUSCHER, 2005).................................................................................... 40 Obr. 18 Schematické znázornění mechanismu měření (SEVERA, 2008) ...................... 43 Obr. 19 Měření dynamické viskozity paliv rotačním viskozimetrem Anton Paar ........... 44 Obr. 20 Měření hustoty paliv v závislosti na teplotě....................................................... 45 Obr. 21 Teplotní závislost dynamické viskozity motorové nafty, MEŘA a jejich směsí.. 47 Obr. 22 Teplotní závislsot hustoty motorové nafty, MEŘA a jejich směsí ...................... 49 Obr. 23 Závislost dynamické viskozity mot. nafty na obsahu MEŘA.............................. 51 Obr. 24 Závislost hustoty motorové nafty na obsahu MEŘA.......................................... 51 Obr. 25 Teplotní závislost dyn. viskozity benzinu, etanolu a jejich směsí ...................... 52 Obr. 26 Teplotní závislost změny hustoty benzinu natural 95, etanolu a jejich směsí.... 54 Obr. 27 Závislost dynamické viskozity automobilového benzinu na obsahu etanolu ..... 55 Obr. 28 Závislost hustoty automobilového benzinu na obsahu etanolu ......................... 55 60
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Známé rezervy ropy a její celosvětová spotřeba (VLK, 2004)............................ 11 Tab. 2 Limitní hodnoty paliva pro rychloběžné vznětové motory (VLK, 2006)............. 23 Tab. 3 Specifikace motorové nafty dodávané společností UNIPETROL RPA, s.r.o. (www.unipetrolrpa.cz) .................................................................................................... 24 Tab. 4 Technické požadavky na MEŘO (VLK, 2006) .................................................... 26 Tab. 5 Specifikace automobilových benzinů dodávaných společností UNIPETROL RPA, s.r.o. (www.unipetrolrpa.cz)........................................................................................... 30 Tab. 6 Vlastnosti nafty, benzinu a etanolu (http://www3.fs.cvut.cz).............................. 33 Tab. 7 Hodnoty koeficientů determinace polynomu 3. stupně ........................................ 48 Tab. 8 Hodnoty konstant rovnic polynomů 3. stupně ..................................................... 48 Tab. 9 Teplotní závislost dynamické viskozity mot. nafty, MEŘA a jejich směsí............ 48 Tab. 10 Teplotní závislost hustoty mot. nafty, MEŘA a jejich směsí .............................. 49 Tab. 11 Hodnoty koeficientů korelace lineárních funkcí ................................................ 50 Tab. 12 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí ....................................................... 50 Tab. 13 Dynamická viskozita a hustota mot. nafty, MEŘA a jejich směsí při 40°C....... 50 Tab. 14 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí ....................................................... 50 Tab. 15 Hodnoty koeficientů determinace polynomu 3. stupně ...................................... 52 Tab. 16 Hodnoty konstant rovnic polynomů třetího stupně ............................................ 52 Tab. 17 Teplotní závislost dynamické viskozity benzinu, etanolu a jejich směsí ............ 53 Tabulka 18 Teplotní závislost hustoty benzinu, etanolu a jejich směsí .......................... 53 Tabulka 19 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí.................................................. 54 Tab. 20 Dyn. viskozita a hustota benzinu natural, etanlu a jejich směsí při 40°C......... 54 Tabulka 21 Hodnoty konstant rovnic lineárních funkcí.................................................. 55
61
