185
program
Vliv paliv obsahujících bioložky na provozní parametry vznětových motorů doc. Ing. Josef Laurin, CSc., doc. Ing. Lubomír Moc, CSc., Ing. Radek Holubec Technická univerzita v Liberci, Studentská 2, 461 17 Liberec
[email protected], lubomí
[email protected],
[email protected]
Úvod Za biopaliva se považují kapalné nebo plynné pohonné hmoty vyráběné z biomasy: bioetanol, bionafta (estery mastných kyselin rostlinných olejů), bioplyn, biometanol, biodimetyléter, bio-ETBE (etyl-terc-butyl-éter), bio-MTBE (metyl-terc-butyl-éter), biovodík, rostlinné oleje a syntetická paliva, jejichž složky byly vyrobeny z biomasy. Pro zážehové (benzinové) motory, u kterých se palivová směs ve válci zapaluje zapalovací svíčkou, jsou použitelnými biopalivy bioetanol, bioplyn, biometanol, biodimetyléter, bio-ETBE, bio-MTBE, biovodík a syntetická paliva. Pro vznětové (naftové) motory, u nichž dochází ke vznícení paliva vstřikovaného do válců motoru, se může uplatnit bioetanol, bionafty, směsné motorové nafty (směsi motorové nafty s bionaftou, případně s rostlinným olejem), výjimečně i čisté rostlinné oleje. Při provozu vznětových motorů na biopaliva nesmí být množství škodlivin, tj. oxidu uhelnatého, uhlovodíků, oxidů dusíku a pevných částic, ve výfukových plynech vyšší, než připouštějí příslušné předpisy Evropské hospodářské komise (EHK) pro provoz na motorovou naftu. K používání bionafty a směsné motorové nafty jako motorových paliv zaujímají velmi kritická stanoviska asociace evropských výrobců automobilů a příslušenství: • European Automobile Manufacturer Association uvádí, že bionafta může mít některé negativní dopady na provoz motorů, a proto připouští přidávat bionaftu do motorové nafty v max. množství 5 % obj. • European association of automotive suppliers zastává názor výrobců palivového příslušenství motorů sdružených ve Joint Fuel Injection Equipment Manufacturers a souhlasí s podílem bionafty podle EN 14214 ve směsné motorové naftě v max. množství 5 % obj. Podle vyhlášky Ministerstva dopravy a spojů ČR č. 102/1995 Sb., o schvalování technické způsobilosti a technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích, ve znění pozdějších předpisů, je pro používání směsné motorové nafty s obsahem metylesteru řepkového oleje vyšším než 5 % obj. potřebný souhlas výrobců motorů. V rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu ČR č. FT-TA4/066 byl na Technické univerzitě v Liberci proveden výzkum vlivu směsných motorových naft, obsahujících metylester řepkového, slunečnicového, sójového a palmového oleje a uhlovodíků získaných hydrogenací z řepkového oleje, vyvinutých ve Výzkumném ústavu anorganické chemie v Ústí nad Labem, na výkonové a emisní parametry vznětových motorů. Vliv složení paliv na výkonové parametry motorů je možné hodnotit podle výsledků (točivý moment, otáčky, spotřeba paliva) zjištěných při vybraných režimech chodu motorů. Celkové účinnosti motorů lze stanovit z hodnot výhřevností a z měrných spotřeb paliv. Emisní parametry motorů byly zjišťovány na základě emisních testů podle příslušných předpisů EHK. Provozní parametry motorů při chodu na zkoumaná paliva byly vyhodnocovány ve vztahu k parametrům motoru při jeho provozu na motorovou naftu vyhovující požadavkům ČSN EN 590 Motorová paliva - Motorové nafty - Technické požadavky a metody zkoušení.
APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1427
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Motorová paliva Ve Výzkumném ústavu anorganické chemie byla připravena a k motorovým zkouškám na Technické univerzitě dodána následující paliva: • motorová nafta (MN), použitá jako základ směsných motorových naft (SMN), • SMN s přídavkem 5 % obj. metylesteru řepkového oleje (MN+5%MEŘO), • SMN s přídavkem 10 % obj. metylesteru řepkového oleje (MN+10% MEŘO), • SMN s přídavkem 5 % obj. metylesteru slunečnicového oleje (MN+5% MESLO), • SMN s přídavkem 10 % obj. metylesteru slunečnicového oleje (MN+10% MESLO), • SMN s přídavkem 5 % obj. metylesteru sójového oleje (MN+5%MESO), • SMN s přídavkem 10 % obj. metylesteru sójového oleje (MN+10% MESO), • SMN s přídavkem 5 % obj. metylesteru palmového oleje (MN+5% MEPO), • SMN s přídavkem 10 % obj. metylesteru palmového oleje (MN+10% MEPO), • SMN s přídavkem 5 % uhlovodíků získaných hydrogenací z řepkového oleje (MN+5% HC), • SMN s přídavkemí 10% uhlovodíků získaných hydrogenací z řepkového oleje (MN+10% HC). Hlavní parametry paliv jsou uvedeny v tabulkách 1 - 3. Tabulka 1 Vlastnosti základové motorové nafty (MN) a jejích směsí s metylestery řepkového oleje (MEŘO) a slunečnicového oleje (MESLO) [1, 5] Jedn.
MN
MN+5% MEŘO
MN+10% MEŘO
MN+5% MESLO
MN+10% MESLO
Hustota při 15°C
kg. m-3
835
837
840
837
841
Výhřevnost
MJ.kg-1
Parametr
Výhřevnost
42,5
42,20
41,94
42,22
41,94
-1
35,48
35,32
35,23
35,338
35,288
2 -1
MJ.l
Viskozita při 40°C
mm .s
2,74
2,8
2,85
2,82
2,88
Bod vzplanutí (ZK)
°C
54
73
74
74
73
Tabulka 2 Vlastnosti základové motorové nafty (MN) a jejích směsí s metylestery sójového oleje (MESO) a palmového oleje (MEPO) [2, 5] Jedn.
MN
MN+5% MESO
MN+10% MESO
MN+5% MEPO
MN+10% MEPO
Hustota při 15°C
kg. m-3
835
837
839
836
838
Výhřevnost
MJ.kg-1
43,09
42,75
42,42
42,75
42,40
Výhřevnost
MJ.l-1
35,98
35,78
35,59
35,739
35,53
Viskozita při 40°C
mm2.s-1
2,67
2,72
2,76
2,73
2,76
Bod vzplanutí (ZK)
°C
65
66
65
64
66
Parametr
APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1428
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Tabulka 3 Vlastnosti základové motorové nafty (MN) a jejích směsí s uhlovodíky získanými hydrogenací řepkového oleje (HC) [2, 5] Jedn.
MN
MN+5% HC
MN+10% HC
Hustota při 15°C
kg. m-3
835
831
828
Výhřevnost
MJ.kg-1
Parametr
Výhřevnost
43,09
43,12
43,16
-1
35,98
35,83
35,736
2 -1
MJ.l
Viskozita při 40°C
mm .s
2,67
2,74
2,84
Bod vzplanutí (ZK)
°C
65
65
67
Zkušební motory Hodnocení vlivu paliv na provozní parametry naftových motorů bylo prováděno na dvou motorech. V třinácti režimech emisního testu ESC podle předpisu EHK č. 49 byl zatěžován čtyřválcový čtyřdobý, turbodmychadlem přeplňovaný vznětový motor s přímým vstřikem paliva a chladičem plnicího vzduchu (vrtání válců 102 mm, zdvih pístů 120 mm, max. výkon 97 kW při otáčkách 2400 min-1) umístěný na zkušebním stanovišti s hydraulickým dynamometrem SCHENCK Dynabar 630-IE. V osmi režimech emisního testu podle předpisu EHK č. 96 (ISO 8178) byl zkoušen čtyřválcový čtyřdobý, turbodmychadlem přeplňovaný vznětový motor s přímým vstřikem paliva a s chladičem plnicího vzduchu (vrtání válců 105 mm, zdvih pístů 120 mm, max. výkon 119 kW při otáčkách 2200 min-1) umístěný na zkušebním stanovišti s výše uvedeným hydraulickým dynamometrem. Měrná spotřeba paliva Měrné spotřeby paliva (g.kWh-1) ve zkoumaných režimech byly u všech SMN s metylestery mírně vyšší než měrné spotřeby nafty, a to o 0,9 až 3,2 %, u SMN s uhlovodíky z hydrogenace řepkového oleje o 0,2 – 1,4 %. Relativní měrné spotřeby směsných naft ve vztahu k měrné spotřebě nafty jsou porovnány v grafech na obr. 1 tak, že měrné spotřebě nafty odpovídá 100 %.
Obr. 1 Porovnání měrných spotřeb SMN s přídavky 5 % a 10 % metylesterů a 5 % a 10 % uhlovodíků s měrnou spotřebou nafty Zvýšení měrné spotřeby je způsobeno jednak nižší výhřevností SMN, jednak průběhem spalování v motoru. APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1429
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Celkové učinnosti motorů
Při stanovení vlivu SMN na celkové účinnosti motorů se vycházelo z naměřených měrných spotřeb SNM a nafty a z údajů o jejich výhřevnostech. Hodnoty výhřevností uvádí tabulky 1 - 3. Celkové účinnosti motoru při provozu na zkoumané SMN jsou o 0,2 – 1,6 % nižší než účinnost motoru při chodu na naftu, jak ukazují grafy na obr. 2. Základem 100 % je účinnost při provozu motoru na naftu.
Obr. 2 Porovnání celkových účinností motorů při chodu na SMN s přídavkem 5 % a 10 % metylesterů a 5 % a 10 % uhlovodíků s účinnostmi při chodu na naftu Výkonové parametry Při stejných objemových dávkách paliv vstřikovaných do válců motoru má na maximální výkon motoru vliv zejména výhřevnost (MJ.l-1) a celková účinnost motoru. SMN mají nižší výhřevnost než nafta a v případě jejich spalování v motoru seřízeném pro provoz na naftu je i celková účinnost motoru nižší - viz grafy na obr. 3 a 4. Představu o snížení výkonu motoru po přechodu z provozu na naftu k provozu na SMN za předpokladu stejních objemových vstřikovaných dávek paliv dává graf na obr. 3.
Obr. 3 Snížení maximálního výkonu motoru po přechodu z provozu na naftu k provozu na SMN
APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1430
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Pro dosažení hodnot výkonových parametrů, které má motor při provozu na naftu, lze sníženou výhřevnost i případný méně dokonalý průběh spalování SMN kompenzovat mírným zvýšením dávky SMN vstřikované do válce. Škodlivé výfukové emise Vliv přechodu z nafty na SMN na produkci škodlivých výfukových emisí (oxid uhelnatý, uhlovodíky, oxidy dusíku a částice) byl zjišťován podle předpisů Evropské hospodářské komise pro homologace motorů z hlediska výfukových škodlivin: EHK č.49 při režimech podle ESC a EHK č. 96 při režimech podle ISO 8178. Porovnání hodnot jednotlivých měrných škodlivých výfukových emisí při provozu motoru na naftu a na SMN ilustrují grafy na obr. 4 - 7. Při provozu zkušebního motoru na SMN s přídavkem 5% a 10% metylesterů došlo v porovnání s provozem na naftu ke snížení měrných emisí oxidu uhelnatého, uhlovodíků a pevných částic a zvýšení měrných emisí oxidů dusíku následovně: • snížení měrných emisí oxidu uhelnatého na 95,4 % (10 % MEŘO) až 98,2 % (5 % MESLO), • snížení měrných emisí uhlovodíků na 94,2 % (10% MEŘO, 10% MESLO) až 97,5 % (5 % MEŘO a 5 % MEPO), • snížení měrných emisí pevných částic na 96,5 % (10% MEŘO) až 98,5 % (5% MESO, 5% MEPO), • zvýšení měrných emisí oxidů dusíku na 100,4 % (5% MEPO) až 103,9 % (10 % MESLO). V případě přechodu z nafty na SMN s uhlovodíky z hydrogenace řepkového oleje dochází ke snížení všech legislativně sledovaných měrných škodlivých emisí: • oxidu uhelnatého na 98,9 až 99,4 %, • uhlovodíků na 98,4 až 99,4 %, • oxidů dusíku 99,5 až 99,6 %, • částic 99,7 až 99,8 %. Odlišnost hodnot měrných emisí výfukových škodlivin motoru při provozu na naftu a při provozu na SMN je pravděpodobně způsobena hlavně rozdílnými průtahy vznícení paliv a obsahem kyslíku v SMN.
Obr. 4 Porovnání měrných emisí oxidu uhelnatého při provozu motorů na naftu (100 %) a na SMN APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1431
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Obr.5 Porovnání měrných emisí uhlovodíků při provozu motorů na naftu (100 %) a na SMN
Obr. 6 Porovnání měrných emisí oxidů dusíku při provozu motorů na naftu (100 %) a na SMN
Obr. 7 Porovnání měrných emisí částic při provozu motorů na naftu (100 %) a na SMN APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1432
20.–22. 4. 2009 Milovy
program
Závěr V rámci řešení programového projektu Ministerstva průmyslu ČR FT-TA4/066 „Výzkum vlivu motorových paliv obsahujících biosložky na chod a emise vznětových a zážehových motorů ve vozidlovém parku ČR“ bylo na Technické univerzitě v Liberci provedeno hodnocení vlivu SMN s přídavky 5 % a 10 % obj. metylesterů řepkového oleje, slunečnicového oleje, sójového oleje a palmového oleje a SMN s 5 % a 10 % obj. uhlovodíků z hydrogenace řepkového oleje. Lze konstatovat, že při provozu vznětových motorú na SMN s přídavkem 5 a 10 % obj. metylesterů dochází v porovnání s provozem na naftu k mírnému zvýšení měrné spotřeby paliva a snížení celkové účinnosti motoru, k snížení měrných emisí oxidu uhelnatého, uhlovodíků a částic a k zvýšení měrných emisí oxidů dusíku. Přechodem z nafty na SMN s přídavkem uhlovodíků získaných hydrogenací -1 řepkového oleje dochází k téměř nepatrnému zvýšení měrné spotřeby paliva (g.kWh ) a k snížení celkové účinnost motoru a k velmi malému snížení měrných emisí oxidu uhelnatého, uhlovodíků, oxidů dusíku a částic. Příspěvek byl zpracován v rámci projektu TANDEM č. FT-TA4/066.
Ministerstva průmyslu a obchodu ČR
Literatura [1] Kubička, D., Kubičková, I.: Výzkum vlivu motorových paliv obsahujících biosložky na chod a emise vznětových a zážehových motorů ve vozidlovém parku ČR. (Výzkumná zpráva k řešení projektu FT-TA4/066 za období 1.4. – 31.12.2007). VZ-S-1791. VÚAnCh, a.s., Litvínov, 2007. [2] Kubička, D., Kubičková, I.: Průběžná zpráva o řešení projektu FT-TA4/066. Výzkum vlivu motorových paliv obsahujících biosložky na chod a emise vznětových a zážehových motorů ve vozidlovém parku ČR. VZ-S-1830. VÚAnCh, a.s., Litvínov, 2008. [3] Laurin, J. - Moc, L.: Výzkum vlivu motorových paliv obsahujících biosložky na chod a emise vznětových a zážehových motorů ve vozidlovém parku ČR. Zpráva spoluřešitele projektu FT-TA4/066 za rok 2007. SM 581/2007.Technická univerzita v Liberci. Liberec 2007. [4] Laurin, J. - Moc, L.: : Výzkum vlivu motorových paliv obsahujících biosložky na chod a emise vznětových a zážehových motorů ve vozidlovém parku ČR. Zpráva spoluřešitele projektu FT-TA4/066 za rok 2008. SM 601/2008.Technická univerzita v Liberci. Liberec 2008. [5] Zjišťování hustoty a výhřevnosti paliv. Ústav energetiky Vysoké školy chemickotechnologické v Praze. Praha 2008.
APROCHEM 2009 • Odpadové fórum 2009
1433
20.–22. 4. 2009 Milovy
