ZÁŽEHOVÉ MOTORY NA ETHYLALKOHOLOVÁ PALIVA

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra vozidel a motorů

studijní program M2301 Strojní inženýrství

obor

2302T010 Konstrukce strojů a zařízení zaměření

PÍSTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY

ZÁŽEHOVÉ MOTORY NA ETHYLALKOHOLOVÁ PALIVA

KSD-DP-548

Autor: Martin Hlinka

Vedoucí práce: Doc. Ing.Laurin, CSc, Konzultant DP: Ing. Jan Mareš

V Liberci dne: 5. ledna 2010

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.

121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.)

Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše)

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Datum:

Podpis:

Téma

Zážehové motory na ethylalkoholová paliva

Anotace

Diplomová práce se zabývá stručným přehledem podmínek a možností pohonu osobních automobilů s motory na směsná paliva benzín-ethanol, i pro „Flexible Fuel Vehicles“. Pozornost je věnována úpravě původně benzinového vozidlového motoru, který umožní provoz na směsná paliva benzin-ethanol. Dále jsou stanoveny provozní parametry motoru.

Cílem této diplomové práce je především využitelnost výsledků v rámci VCJB

Theme

Ethyl-alcohol combustion engines Annotation

This graduation thesis is focused on brief survey of conditions and possibilities of personal motor cars with mixed fuel engines (benzine-ethanol), and also on Flexible Fuel Vehicles. The aim is to adjust primarily benzine engine to engine which will use mixed fuel (benzine-ethanol). In the graduation thesis are also determined engine operating parameters.

The aim of this graduation thesis is use of our outcomes in VCJB

Poděkování:

Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Josefu Laurinovi, Csc., za velmi užitečné rady a odbornou pomoc při zpracování diplomové práce.

Seznam použitých symbolů

mpe

[

kWh^g

]

Měrná efektivní spotřeba

Mpe

[

cykl^g

]

Dávka na oběh

Pef [kW ] Efektivní výkon

Pj [kW ] Jmenovitý výkon

i [­] Počet válců

nj

[

^min1

]

Jmenovité otáčky

Hu

[

^MJkg

]

Výhřevnost paliva

V [mm³] Objemové množství

ρ

[

^kgm³

]

Hustota paliva

η [→] Účinnost motoru

LVT

[

^kgkg

]

Přebytek vzduchu

λ [­] Součinitel bohatost směsi

Q [J ] Energetická hodnota

p [MPa ] Tlak

Z [m] Zdvih pístu

ε [­] Kompresní poměr

Vz

[

cm³

]

Zdvihový objem

Vk

[

cm³

]

Náklady na hodinu provozu

x [litr] Objemové množství litrů

Nr

[

^rokkč

]

Roční náklady

t [hod ] Čas

v

[

hod^km

]

^Rychlost

Obsah

0 Úvod...11

0.1 Cíl diplomové práce...12

1 Teorie...12

1.1 Historie a současnost používání alternativních paliv v ČR...12

1.2 Schéma rozdělení alternativních paliv pro pístové spalovací motory...13

1.3 Kapalná alternativní paliva...13

1.3.1 Ethanol ...14

1.3.1.1 Výhody použití ethanolu...15

1.3.1.2 Nevýhody použití ethanolu...15

1.3.1.3 Výroba ethanolu...16

1.3.1.4 Skladování ethanolu...17

1.3.1.5 Kvalitativní požadavky na ethanol...17

1.3.2 Methanol...20

1.3.2.1 Výhody methanolu...20

1.3.2.2 Nevýhody methanolu ...20

1.3.2.3 Výroba methanolu...20

1.3.3 MTBE ...21

1.3.3.1 Výhody MTBE ...21

1.3.3.2 Nevýhody MTBE...22

1.3.3.3 Výroba MTBE...22

1.3.4 ETBE...22

1.3.4.1 Výhody ETBE...23

1.3.4.2 Nevýhody ETBE...23

1.3.4.3 Výroba ETBE...23

1.4 Závěr k alternativním kapalným palivům...23

1.5 Flexi fuel Vehicles...24

1.5.1 Typy používaných variant plnění benzinových motorů...25

1.6 Teorie konstrukčních úprav benzinových motorů...25

1.6.1 Benzinový motor provozovaný na benzin nebo směs benzin-ethanol (E85). ...25

1.6.2 Benzinový motor provozovaný pouze na ethanol...29

1.7 Výfukové škodliviny...31

2 Popis a parametry motoru Škoda Auto 1,2 HTP...33

2.1 Použití motoru...33

2.2 Technické parametry...34

3 Pracovní oběh flexi fuel motoru...36

3.1 Optimalizace a výpočet pracovního oběhu...36

3.1.1 Základní naměřené parametry motoru...36

3.1.2 Vstupní parametry pro benzinový provoz...38

3.1.3 Vstupní parametry pro E85...39

3.2 Závěr a porovnání výsledků oběhů...40

4 Konstrukční část diplomové práce...41

4.1 Úvod...41

4.2 Úpravy motoru...41

4.2.1 Úprava palivového příslušenství...41

4.2.2 Zachování shodného vstřikovacího - návrh vstřikovače...41

4.2.3 Vlastní návrh vstřikovače...45

4.2.4 První úprava vozidla - zástavba a konstrukce nádrže ...45

4.2.5 Druhá úprava vozidla – konstrukce pístu motoru ...48

5 Ekonomické hodnocení...49

5.1 Kalkulace nákladů na spotřebu paliva...49

6 Závěr...54

Přehled použitých zkratek

ETBE Ethyl tert-butyl ether

MTBE Methyl tert-butyl ether

FAME Methylestery mastných

kyselin

HTP High Torque Performenc Vysoký točivý moment

E85 Označení ethanolové směsi

CČ Cetanové číslo

OČVM Výzkumná metoda

OČMM Motorová metoda

CO₂ Oxid uhličitý

H2O Voda

H2 Vodík

N2 Dusík

O2 Kyslík

NOx Oxidy dusíku

HC Nespálené uhlovodíky

NO Oxid dusnatý

ŘJ Řídící jednotka

KSD Katedra stojů průmyslové

dopravy

HÚ Horní úvrať pístu

PE Polyethylen

MKP Metoda konečných prvků

0 Úvod

V dnešní době, kdy klasická paliva pro spalovací motory zvyšují svojí cenu, hledají se alternativní způsoby, jak snížit náklady na provoz spalovacích motorů a to ve vozidlových, stacionárních i lodních aplikacích. Jednoznačně je využíván způsob přestavby stávajících zážehových i vznětových motorů na alternativní kapalná paliva, získávaná z obnovitelných zdrojů např. biomasy. Jedním z těchto paliv, která přicházejí v úvahu pro zážehové i vznětové motory jsou paliva na bázi ethanolu.

Především přestavba zážehových motorů na alternativní kapalné palivo, většinou ethanol nebo směs benzin-ethanol, je spojena s problémy konstrukčního charakteru. Samotná přestavba zážehového motoru je spojena se zvýšením kompresního poměru, úpravou palivového příslušenství tj. (vstřikovací zařízení), spalovacího prostoru a přizpůsobením některých součástek agresivnímu působení ethanolu. Značnou výhodou tohoto způsobu přestavby je fakt, že motor lze po úpravě provozovat jak na původní palivo (benzin), tak na ethanolové palivo s různým podílem ethanolu.

Konstrukční úprava vznětového motoru na samotný ethanol není tak náročná, přestože v porovnání s naftou má ethanol nízkou výhřevnost, nízkou vznětlivost a velmi malou mazací schopnost. Vznětlivost a mazací schopnost lze pomocí vhodných přísad upravit téměř dokonale. S ohledem na nižší výhřevnost je nutné provést úpravy (předimenzování) palivového příslušenství např. vstřikovacích trysek. Motory, kde je částečně nahrazena nafta neupraveným ethanolem, vyžadují značné konstrukční úpravy např. vstřikování nafty i ethanolu pomocí dvou vstřikovacích čerpadel. Tyto konstrukční úpravy jsou technicky náročné a nebývají prakticky využívány.

Největší počet vozidel s motory na palivo ethanol nebo jeho směs benzin- ethanol (E85) je provozováno v Brazílii, v Evropě pak ve Švédsku.

0.1 Cíl diplomové práce

Cílem této diplomové práce je shrnout možnosti a podmínky použití ethanolového paliva pro Flexible fuel zážehový motor, zpracování projektu úprav původně benzinového vozidlového motoru pro provoz na směsná paliva benzin – ethanol, vyhotovit výkresovou dokumentaci potřebných úprav motoru a stanovit očekávané provozní parametry motoru.

Vedle studijní části práce byl pro výpočtové ověření parametrů a konstrukčních úprav využit motor Škoda Auto 1.2 HTP 40 kW.

1 Teorie

1.1 Historie a současnost používání alternativních paliv v ČR

Historie používání alternativních paliv u nás začíná již od dvacátých let minulého století, kdy se začaly vyrábět a prodávat lihobenzinové směsi. V Československu se prodávaly směsi pod názvem Dynalkol s hmotnostním složením 50

% ethanolu, 30 % benzenu a 20 % benzinu. Do roku 1932 konkuroval tento výrobek autobenzinu obsahujícímu jen ropný benzin. V letech 1926 až 1936 bylo v Československu zavedeno ze zákona povinné mísení 20 % bezvodého ethanolu s benzinem. S rostoucí spotřebou pohonných hmot bylo tak umožněno vmíchat asi 50 tis.

tun ethanolu do benzinu ročně, což bylo v roce 1935 20 % spotřeby. Používání lihobenzinových směsí zaniklo u nás až počátkem padesátých let minulého století a dosud nebylo obnoveno.

Další etapa využití alternativních paliv byla u nás zahájena v roce 1992 tzv.

Oleoprogramem, který byl dotován státem. Program byl zaveden pro podporu výroby a užití methylesteru řepkového oleje (MEŘO) v rámci cíleného osazování orné půdy řepkou olejnou. Ekonomické podmínky pro využití MEŘO pro pohon motorů se na tuzemském trhu výrazně zhoršily, a proto směsná nafta po 1. 5. 2004 rychle zmizela z trhu a dosud na něm není. Výroba MEŘO však pokračuje a produkt se výhodně vyváží do SRN, kde existují příznivé ekonomické podmínky.

Koncem roku 2007 zahájila výrobu směsné nafty a.s. PARAMO Pardubice.

Prodej směsné motorové nafty na český trh zajišťuje a.s. BENZINA na svých 50ti čerpacích stanicích. [21]

1.2 Schéma rozdělení alternativních paliv pro pístové spalovací motory

Rozdělení a přehled kapalných biopaliv tzv. z obnovitelných zdrojů je uvedeno na obrázku 1.1. [1]

1.3 Kapalná alternativní paliva

Motorová kapalná paliva jsou nejušlechtilejší paliva, na která jsou kladeny vysoké kvalitativní požadavky. Klasickými motorovými palivy jsou automobilové benziny a motorové nafty. Jejich kvalita je stanovena příslušnými normami a těmto normám musí vyhovovat i používaná motorová alternativní paliva. Jako motorová alternativní paliva mohou být použity rostlinné oleje, dále hlavně estery mastných kyselin, nižší alkoholy jako methanol, ethanol, propanol a různé chemické produkty vyrobené z obnovitelných surovin jako je dimethyleter, uhlovodíky, ethyl tert-butyl ether (ETBE) aj. V současné době se používají hlavně dva druhy alternativních paliv:

methylestery mastných kyselin (FAME) označované jako bionafta (biodiesel) a dále Obrázek 1.1: Přehled formulací kapalných paliv

bioethanol (bezvodý líh). Tato motorová paliva se používají buď jako 100%-ní paliva nebo jako přídavky do klasických paliv. Vlastnosti jednotlivých paliv se liší oktanovým číslem (vyjadřuje odolnost paliva proti výskytu klepání) nebo cetanovým číslem (udává kvalitu paliva z hlediska vznětové charakteristiky). Nespornou výhodou kapalných alternativních paliv oproti plynným je jejich skladování. Jsou získávána z obnovitelných zdrojů (biomasy), nebo jako produkt ze zpracování ropy.

1.3.1 Ethanol

Ethanol jako automobilové palivo nebo složka automobilových paliv je druhý nejnižší alkohol. Je to bezbarvá kapalina ostré, ale ve zředění příjemné alkoholické vůně. Je snadno zápalný a je proto klasifikován jako hořlavina 1. třídy.

Prostorovou geometrii molekuly ethanolu znázorňuje obrázek 1.2. I když je v molekule zachována volná otáčivost podle σ-vazeb mezi uhlíkovými atomy i mezi uhlíkem a kyslíkem, zaujímá konformaci, při které nejsou atomy vodíku na sousedních atomech uhlíku resp.

kyslíku navzájem v zákrytu.

Vzhledem k přítomnosti hydroxylové skupiny OH v molekule, jejíž vodíkový atom může vytvářet vodíkovou vazbu s kyslíkovým atomem jiné molekuly ethanolu, je bod varu této látky vyšší, než by se dalo očekávat vzhledem k jeho molekulové hmotnosti (78,3 °C místo předpokládaných −42 °C u nepolárních látek jako je stejně hmotný propan, nebo −24 °C u polárních látek bez vodíkových můstků jako je dimethylether).

Protože vazby C–O i O–H jsou polární, je proto molekula ethanolu polární.

Rozpouští se proto jen velice špatně v nepolárních rozpouštědlech, s polárními rozpouštědly (např. s vodou) se většinou mísí neomezeně. S vodou vytváří tzv.

azeotropickou směs, která obsahuje 95,57 hmotnostních procent ethanolu a která za normálního tlaku (101,3 kPa) vře při 78,1 °C, přičemž složení plynné a kapalné fáze je stejné. Proto se směs tohoto složení již nedá další destilací rozdělit. [1, 3]

Obrázek 1.2: Prostorový model molekuly ethanolu

1.3.1.1 Výhody použití ethanolu

− Vysoké oktanové číslo až 108 (bez aditivace) z toho vyplývá možnost zvýšení kompresního poměru motoru. Vysoká odolnost proti klepání motoru.

− Třikrát větší výparné teplo než benzin, což napomáhá ke snižování teploty ve spalovacím prostoru motoru.

− Ve výfukových plynech přibližně stejné nebo mírně nižší emise oxidu uhelnatého (CO), mírný nárůst obsahu nespálených uhlovodíků (HC), přičemž mnohonásobné vzroste podíl aldehydů a mírně klesne podíl oxidů uhlíku (NOx).

− Zdroje pro výrobu ethalonu jsou rozloženy rovnoměrně po celé zeměkouli a svět tak není zavislý na 50 % podílu zásob ropy v oblasti Středního východu.

− Celosvětově existující dostatečné výrobní kapacity s ověřenými technologiemi výroby. [1, 3]

1.3.1.2 Nevýhody použití ethanolu

− Podstatně menší výhřevnost oproti benzinu a sice 26,8 MJ/kg oproti 43,2 MJ/kg benzinu BA 95, což znamená nikoliv menší výkon, ale větší spotřeba při stejném výkonu.

− Při nižších teplotách se obtížněji vytváří hořlavá směs s dostatečnou koncentrací par ethanolu. Pod teplotu cca -5 °C je špatná startovatelnost motoru.

− Nízké cetanové číslo 11 se projevuje zhoršenou vznětlivostí.

− Vysoká citlivost vůči vodě v nádrži , tj. 96 % obj, je velice hygroskopický, neustále absorbuje vodní páry z ovzduší. Ethanol smíšený s benzinem se velmi rychle„odstěhuje“ do vodní vrstvy dolů, a tím dochází k obávanému rozvrstvení paliva v nádrži, kdy spodní vrstva představuje lihovodní směs, která po nasátí do karburátoru, či vstřikovače, nepříznivě ovlivní chod motoru.

− Při spalování směsi v akceleračmím režimu se malá část alkoholu úplně nespálí, resp. se oxiduje jen do fáze vzniku aldehydů, a což může být ještě horší do fáze karboxylových kyselin a tou je kyselina octová. Vzniklá kyselina octová napadá a je agresivní vůčí kompozici ložiskových výstelek, slitiny olova, cínu, mědi a hliníku.

− Vysoká výrobní cena.

− Má odmašťující a čistící účinek, napadá plastické hmoty. [1, 3]

1.3.1.3 Výroba ethanolu

Ethanol se vyrábí z jednoduchých sacharidů (cukrů) alkoholovým kvašením působením různých druhů kvasinek. Používá se k tomu jak cukerného roztoku (o maximální koncentraci 20 %), tak přímo přírodních surovin obsahující sacharidy, jako jsou například brambory, obilí nebo cukrová třtina. Kvasný proces probíhá dle sumární rovnice /1/.

C₆H₁₂O₆2 C₂H₅OH 2 CO₂ /1/

Kvalita takto získaného ethanolu je velmi závislá na výchozí surovině; kvašením vzniká zápara, tj. velmi zředěný vodný roztok ethanolu (maximálně 15 %), který vždy však obsahuje nežádoucí příměsi, tzv. přiboudliny, zejména vyšší alkoholy (propanol a isopropanol), vícesytné alkoholy (glycerol), ketony (aceton) aj. Čištění se provádí na výkonných destilačních kolonách, přičemž lze získat tzv. absolutní alkohol, obsahující 95,57 % ethanolu a 4,43 % vody. Tento ethanol nelze použít jako složku benzinu, protože po smísení se z celého objemu směsi ihned vyloučí voda a vznikne zákal. Z tohoto důvodu se vyrábí bezvodý líh, kde zbytek vody lze odstranit destilací s bezvodým síranem vápenatým nebo oxidem vápenatým, který váže vodu. Dalším způsobem je dlouhodobé působení hygroskopických látek např. bezvodný uhličitan draselný (potaše) nebo bezvodý síran měďnatý (modré skalice). Těmito postupy lze získat ethanol o čistotě až 99,9 %. Jinou metodou získávání co nejčistšího ethanolu je tzv. azeotropická metoda, spočívající v destilaci s přídavkem benzínu nebo benzenu, kterou lze získat produkt o čistotě až 99,7 %. Oba způsoby mají své přednosti a nevýhody. Další nevyužívanou možností, která by měla výrazně snížit v budoucnosti náklady na výrobu bioethanolu, je využití biomasy a dřevního odpadu. Schématické znázornění výroby ethanolu viz. obrázek 1.3

1.3.1.4 Skladování ethanolu

Ethanol se skladuje pod mírným přetlakem a při pH v rozmezí 6,5 až 9,0.V tomto rozsahu pH není ethanol korozivní. Pro skladování a využití paliva v automobilovém průmyslu je nutno použít materiály kompatibilní s ethanolem (není možno použít hliník vzhledem k chemické reakci s ethanolem). Kompatibilní jsou nerezové oceli, termoplasty, polyethyleny. [1, 3]

1.3.1.5 Kvalitativní požadavky na ethanol

V současné době existuje česká norma s označením ČSN 65 6511 [5], ale připravuje se evropská norma ČSN EN 15 376 [6]. Srovnání jakostních požadavků na ethanol podle těchto specifikací je uvedeno v tabulce 1.1

Obrázek 1.3: Výroba ethanolu

Tabulka 1.1: Jakostní požadavky na ethanol podle ČSN 65 6511 a EN 15 375 [4]

Parametr ČSN 65 6511 EN 15 376

Vzhled čirý, bez zákalů a sedlin čirý, bez zákalů a sedlin Obsah EtOH před

denaturací

min. 99,7 % V /V min. 98,7 % m/ m

Obsah vody max. 0,39 % V /V max. 0,3 % m/ m

Hustota při 20°C min.791

[

^kgm³

]

^-

Obsah EtHO po denaturaci Min. 95,6 % V /V -

Obsah volných kyselin max. 50

[

^mgl

]

max. 0,007 % m/ m

Odparek max. 15

[

^mgl

]

^{max. 10}

[

^100mlmg

]

Obsah vyšších alkoholů - max. 2 % m/ m

Obsah methanolu - max. 1 % m/ m

Obsah anorg. chloridu - max 20

[

dm^mg3

]

Měd [Cu] - max. 0,1

[

^mgkg

]

pHe - 6,5 - 9

Fosfor [P] - max. 0,5

[

dm^mg3

]

Síra [S] - max. 10

[

^mgkg

]

Pro používání paliva E85 (směs ethanol-benzín) ve spalovacích motorech jsou také důležité jakostní požadavky. K dispozici k tomu to palivu je technická norma ČSN 656512 [7]. Jakostní požadavky pro palivo E85 jsou uvedeny v tabulce 1.2

Tabulka 1.2:Jakostní požadavky na palivo E85 podle ČSN 65 6512 [4]

Parametr Jednotka Hodnota

OČVM min. 95

OČMM min 85

Indukční perioda min min 360

Pryskyřice

[

100ml^mg

]

^{max 5}

Vzhled čirý, bez úsad

Ethery (5 nebo vice atomů) % V /V max 5,2

Síra [S]

[

^mgkg

]

^{max. 10}

Obsah vyšších alkoholů % V /V max 2

Obsah methanolu % V /V max 1

Obsah anorg. chloridů

[

dm^mg3

]

^{max 20}

Měd [Cu]

[

^mgkg

]

^{max. 0,1}

pHe 6,5 - 9

Fosfor [P] pod mezí detekce

Koroze na mědi třída max. 1

Obsah vody % V /V max. 0,3

Ethanol a vyšší alkoholy

třída A třída B

% V /V min.75

min.70 Bezolovnatý benzín

třída A třída B

% V /V 14 – 22

14 - 30

1.3.2 Methanol

Methanol (methylalkohol) je nejjednodušší alifatický alkohol. Používá se pro něj též dnes již zastaralý název dřevný líh. Je to bezbarvá, alkoholicky páchnoucí kapalina, neomezeně mísitelná s vodou. Vysoce těkavá, hořlavá a silně jedovatá chemická látka. Geometrie molekuly methanolu je zobrazena na obrázku 1.4. [1, 3]

1.3.2.1 Výhody methanolu

− Čtyřikrát větší výparné teplo než benzin, což napomáhá ke snižování teploty ve spalovacím prostoru = vnitřní chlazení motoru.

− Spalováním tohoto paliva přináší velmi nízké emise.

− Vysoké oktanové číslo až 126 z toho vyplývá vysoká odolnost proti klepání [1, 3]

1.3.2.2 Nevýhody methanolu

− Menší výhřevnost paliva oproti benzinu a sice 21,3 MJ/kg oproti 42,5 MJ/kg benzinu BA 95.

− Bod varu je pouze 65 °C, potřebuje se větší iniciační energie. [1, 3]

1.3.2.3 Výroba methanolu

Methanol lze vyrábět z různých surovin, ale obvykle se vychází ze zemního plynu. Reakcí methanu s vodní párou se získá syntézní plyn, jeho složky vodík a oxid uhelnatý v dalším stupni reagují za vzniku methanolu. Je známý i proces parciální oxidace methanu, což je v podstatě částečné spálení, při kterém vznikají nejen žádoucí methanol, ale i formaldehyd a další kyslíkaté sloučeniny. Reakce je silně exotermní a vznikající energii lze využít pro výrobu tepla. Lze ho též vyrábět stejně jako ethanol procesem fermentace probíhající na cukerných roztocích. Ale tato metoda se nepoužívá pro svou vysokou cenu. Proti ethanolu je jeho výroba levnější. [1, 3]

Obrázek 1.4: Prostorový model molekuly

methanolu

1.3.3 MTBE

Methyl tert-butyl ether (MTBE) je chemikálie s molekulárním vzorcem C5H12O.

Je nestálá, hořlavá a bezbarvá kapalina, která je dobře mísitelná a rozpustná ve vodě.

MTBE je důležitým představitelem kyslíkatých složek, které se používají při mísení benzinu v rámci reformulace. Cílem reformulace je zejména příznivější složení benzinů s ohledem na nižší emise automobilových motorů. [1, 3]

1.3.3.1 Výhody MTBE

− Výhody MTBE je vyrovnání „oktanové díry“, která je běžná u tradičních benzinů jak je patrno z obrázku 1.5.

̶ zlepšuje se tím tzv. delta oktanové číslo paliva uplatňující se zejména při akceleračním režimu:motor tak podstatně méně „klepe“při akceleraci;

̶ snižuje možnost tvorby ledu v karburátoru, působí tedy jako „de-icery“;

̶ odstraňuje potíže a problémy s vodou při dlouhodobém skladování vytvářejí totiž úspěšně trojsměs:benzin-voda-ether;

̶ netvoří neočekávané změny při skladování;

̶ významně zlepšuje účinnost při nižších rychlostech;

̶ odstraňuje problémy s korozí;

̶ neovlivňuje tvorbu „parních polštářů“ v potrubí;

Obrázek 1.5: MTBE a vyrovnání oktanové „díry“

̶ neovlivňuje studené starty;

̶ Podpora dokonalejšího spalování z toho vyplývá snížení emisí uhlovodíků a CO.

̶ Vysoké oktanové číslo 116. [3]

1.3.3.2 Nevýhody MTBE

− Nevýhodou MTBE je ohrožení zdrojů pitné vody kontaminací, díky jeho rozpustnosti a stabilitě ve vodě. Jelikož má silný etherický zápach a chuť, k znehodnocení vody stačí koncentrace okolo 100 μg l⁻¹.

− Špatná biologická odbouratelnost.

− Karcinogenní. [1, 3]

1.3.3.3 Výroba MTBE

MTBE se vyrábí reakcí izobutenu a methanolu za přítomnosti kyselých měničů iontů (katex), při teplotách 50 - 90 °C a tlacích okolo 2 MPa. Reakce je exotermní, konverze je limitována rovnováhou, proto se reakce provádí v přebytku metanolu.

Při výrobě MTBE se někdy s výhodou používá tzv. katalytická destilace. C4 frakce obsahující izobuten se vyčistí vodou, smíchá se s methanolem a nastřikuje se v kapalné fázi na pevné lože katalyzátoru v prvním reaktoru. Zde směs částečně zreaguje, reakčním teplem se ohřeje na bod varu a vede se na kolonu katalytické destilace. Ze spodní části destilační sekce této kolony se odebírá MTBE (bod varu 55 °C), nezreagovaný methanol (bod varu 65 °C) vytváří s C4 rafinátem azeotrop, který má nižší bod varu než MTBE. Nezreagované složky proto odcházejí do střední části kolony, kde reagují na katalyzátorovém loži. Horní část kolony slouží k oddělení nově vzniklého MTBE. Zbytek nezreagovaného methanolu a C4 frakce zbavená izobutenu se vedou do extrakční kolony, kde se vodou vypere methanol, který se pak vydestiluje a recykluje. [1, 3]

1.3.4 ETBE

Ethyl tert-butyl ether je chemikálie s molekulárním vzorcem C₆H₁₄O. V porovnání s MTBE je méně rozpustný ve vodě a má nižší tenzi par. ETBE je potenciální

náhrada MTBE v automobilových benzinech za účelem zvýšení podílu „biosložek“

využívaných jako motorová nebo jiná paliva. [1, 3]

1.3.4.1 Výhody ETBE

− Vysoké oktanové číslo 117.

− Méně toxický.

− Automobilový benzin obsahující ETBE má lepší vlastnosti (ETBE působí jako kosolvent).

− Jednou z předností použití ETBE je jeho výroba, ve které se může uplatnit ethanol, jenž lze získat z obnovitelných zdrojů. [1, 3]

1.3.4.2 Nevýhody ETBE

− Nevýhoda je vysoká nákupní cena bezvodného ethanolu, který se k výrobě ETBE používá. Produkce bezvodného ethanolu není ještě dostatečně rozšířena.

1.3.4.3 Výroba ETBE

ETBE se vyrábí adicí ethanolu na izobuten za podobných podmínek jako MTBE. Zvýšení výroby ETBE se prosazuje v souvislosti s využitím přebytků zemědělských plodin vhodných pro výrobu etanolu.

Izobuten potřebný pro výrobu etherů se získává hlavně z plynů vznikajících při fluidním katalytickém krakování. Methanol se vyrábí ze syntézního plynu (směs oxidu uhelnatého a vodíku), který se získává např. zplyňováním uhlí nebo zplyňováním ropných zbytků. [1, 3]

1.4 Závěr k alternativním kapalným palivům

V závěru kapitoly o kapalných palivech je uvedena tabulka 1.3, která porovnává vlastnosti nejpoužívanějších klasických kapalných paliv a alternativních paliv v pístových spalovacích motorech. Kapalná paliva a alternativní paliva lze využít ve větší či menší míře v zážehových i vznětových (různopalivových i dvoupalivových motorech).

Tabulka 1.3: Porovnání kapalných paliv pro spalovací motory

Palivo

výhřevnost paliva

Hu

[

^MJkg

]

hustota paliva

ρ

p

[

dm^kg3

]

Teoretický přebytek vzduchu

[

^kgkgvzduchupaliva

]

oktanové číslo (cetanové

číslo) [-]

váhový podíl uhlíku

[%]

Motorový benzin (BA95)

42,5 0,75 14,7 91 - 100 85,5

Motorová

nafta 42,7 0,825 14,6 nad 51 86

Ethanol 26,8 0,794 9 108/120 52,2

E85 29,24 0,784 9,9 108/120 52,2

Methanol 21,3 0,798 6,5 111/126 37,5

MEŘO 38,5 0,89 13,2 58 77

MTBE 35,2 0,746 11,7 116 68,2

ETBE 34,2 0,745 11,6 117 67,5

1.5 Flexi fuel Vehicles

Automobilem s označením „Flexible fuel Vehicle“, se rozumí automobil s motorem na přizpůsobivá paliva, pracující jako motor zážehový, umožňující provoz jak na benzin, tak na ethyalkoholové palivo s různým podílem ethyalkoholu (až do 85%). Z hodnot koncentrace kyslíku O2 změřených λ-sondou ve výfukových plynech a nebo čidla paliva umístěného v nádrži, získá řídící jednotka motoru informaci o množství ethanolu v palivu a tomu přizpůsobí seřizovací parametry motoru, tzn. dávkování paliva do válců, předstih zážehu a další. Z toho vyplývá přechod z paliva na palivo lze provést

za chodu bez montážních úprav. [19]

1.5.1 Typy používaných variant plnění benzinových motorů.

Jedná se o dva základní způsoby změny plnění benzinových motorů provozované původně jen na benzínové palivo.

a) benzinový motor spalující pouze ethanol

b) benzinový motor spalující benzin nebo směs benzin-ethanol (E85)

1.6 Teorie konstrukčních úprav benzinových motorů

1.6.1 Benzinový motor provozovaný na benzin nebo směs benzin-ethanol (E85).

Tento benzinový motor lze provozovat jak na benzin, tak na palivo s libovolným poměrem směsi ethanolu s benzinem, a to od 0% až do 85 % ethanolu. U tohoto benzinového motoru není nutno přidávat další zařízení (palivovou nádrž, čerpadlo, systém vedení paliva, systém vstřikování paliva). Vyjjímku pro přidání dalšího zařízení tvoří koncepce motoru pro předehřev motoru pomocí benzinu BA 95 N. V tomto případě je přidána další palivová nádrž čerpadlo a palivové příslušenství. Jednotlivé komponenty a palivové příslušenství jsou též přizpůsobeny agresivitě ethanolu .

U vícebodového sekvenčního vstřikování, kde palivo je vstřikováno těsně před začátkem sání přímo do sacího kanálu pro každý válec zvlášť, je nutno dodat do sacího kanálu vstřikovačem požadované 1,4 až 1,6 krát zvýšené množství paliva. Toho můžeme dosáhnout úpravou řídící jednotky (softwaru), tak aby motor byl schopen ve všech režimech chodu správně fungovat a reagovat na změnu obsahu směsi nebo výšením tlaku paliva v rozvodu a nebo použitím výkonnějšího vstřikovače.

U daného motoru musí být zachován kompresní poměr pro spalovací motor na benzin BA 95 N. Pro běžný provoz i sportovní úpravy se nepoužívají hodnoty vyšší než 10,5:1. Jak už bylo zmíněno, benzin má menší odolnost proti detonačnímu hoření než směs E85. Pokud by se v motoru zvýšil kompresní poměr, docházelo by k tzv.

„klepání“. Při klepání se zvětšuje namáhání součástí motoru. Palivo se nedokonale spaluje a nespálený uhlík se usazuje na stěnách kompresního prostoru a podporuje vznik dalšího klepání a zvýšení škodlivin (emisí) ve výfukových plynech. Elektrody svíček se

mohou rozžhavit a předčasně zapalovat směs.

Zvýšit kompresní poměr můžeme u motoru provozovaného na vysokooktanový benzin BA 98 N nebo Verva 100 (produktové označení firmy Benzina s.r.o) benzin s oktanovým číslem 100. Zvýšení kompresního poměru docílím úpravou pístu, snížením hlavy motoru nebo oběma variantami. U této varianty samozřejmě je nutno přihlížet ke konstrukci motoru. Optimální nastavení kompresního poměru u motoru je 12:1 bez ohledu na to, zda je hlava motoru hliníková nebo litinová. Vyšší hodnota se již projeví negativně na chodu motoru a na trvanlivosti těsnění. Zvýšení kompresního poměru motoru má za následek zvýšení výkonu zhruba o 3 až 4 %.

Jak už bylo zmíněno v kapitole 1.3.1.1 palivo na bázi ethanolu (E85) má vysoké výparné skupenské teplo, které způsobuje ochlazení náplně ve válci, což je pro nás nepříjemné hlavně při startování při nižších teplotách cca -5°C. S touto negativní vlastností souvisejí další problémy. V zimních měsících déle trvá než motor po startu zahřejeme na provozní teplotu. Vzhledem k této skutečnosti je nutné provést tři konstrukční úpravy motoru.

První variantou konstrukčních úprav je použití topných tělísek v sacím potrubí, která ohřívají vstřikovanou směs na vysokou teplotu. Provedení vstřikovače dle obrázku 1.6 je konstrukčně méně náročné a vychází z předpokladu, že topné tělísko se při studeném startu rychle rozehřeje. Vstřikované palivo ethanol je nasměrován tak, aby dopadl na topné tělísko, kde se rychle ohřeje a z topného tělíska se odpaří. Na obrázku 1.7 je složitější způsob, kdy je nutné sací potrubí upravit ve větším rozsahu a doplnit ho o přírubu s výkonnějším topným tělískem.

Druhá úprava motoru pro zlepšení startovatelnosti při nízkých teplotách, která se používá především v severní části Evropy je využití topení viz. obrázek 1.9 pro ohřev chladící kapaliny. Topení je zapojeno v chladícím okruhu a jak už bylo zmíněno slouží nejen k ohřevu chladící kapaliny, ale také nezávisle přispívá ke zlepšení startovatelnosti motoru na ethanol. Motor je udržován v teplém stavu. Z toho vyplývá, že palivo vstříknuté do sacího kanálu se snadněji odpaří a vytvoří snadno zapalitelnou směs se vzduchem. Topení nepotřebuje další čerpadlo, pracuje samotížně. Výkon topení bývá 550 W/230V a je napájen z elektrické sítě pomocí zástrčky, která je umístěna na přední masce automobilu, tak aby byla volně přístupná k zapojení do elektrické sítě bez

jakékoliv demontáže viz obrázek 1.8. V provozu se tento problém napájení řeší stojany s elektrickou sítí 230V. Tyto stojany jsou v severní časti Evropy běžně umístěny na parkovištích a po příjezdu vozidla se topení zapojí do sítě.

Obrázek 1.6: Topné tělísko v sání

Obrázek 1.7: Topné tělísko umístěné v odpařovací

komůrce

Obázek 1.9: Nezávislé topení: 1- kryt, 2-topné tělísko, 3-těsnění, 4-pojistný kroužek, 5-zásuvka, 6- ochrané víčko

Obrázek 1.8: příklad zásuvky pro připojení do elektické sítě

Třetí variantou úpravy motoru je přidáním druhé palivové nádrže a palivového vedení na benzín BA 95 N. Benzin slouží k ohřátí motoru. Provoz motoru na benzin BA 95 N trvá cca 10 minut. Řídící jednotka po vyhodnocení dat o teplotě motoru automaticky řídí přepínání mezi palivy.

Obrázek 1.10 se schématickým uspořádáním motoru, znázorňuje variantu vstřikování E85 s ohřevem motoru pomocí benzinu s použitím druhé palivové nádrže.

Obrázek 1.10: Schématické uspořádání motoru pro Flexible fuel Vehicle (FFV) 1-zachycovač palivových par, 2-ventil zachycovače palivových par, 3-snímač tlaku, 4-vstřikovač, 5-zapalovací cívka, 6-snímač polohy vačkového hřidele, 7- pedál akcelerace, 8-škrtící klapka, 9-ventil recirkulace výfuk. plynů, 10-snímač klepání, 11-snímač teploty, 12-lambda sonda, 13-snímač otáček, 14-palivová nádrž s čerpadlem, 15-řídící jednotka motoru, 16-nádrž na benzin, 17, 18, 19- benzinový palivový systém pro spouštění motoru [10]

1.6.2 Benzinový motor provozovaný pouze na ethanol

Při provozování benzinového motoru pouze na ethanol je výhodou, že do automobilu nemusíme přidávat další komponenty, jako např. palivovou nádrž, čerpadlo, systém vedení paliva, systém vstřikování paliva.

Palivová nádrž včetně příslušenství pro rozvod paliva je přizpůsobena agresivitě ethanolu. Vnitřek ocelové palivové nádrže je chráněn cínovou vrstvou nebo je vyrobena z nerezové oceli, pro rozvod se používá potrubí z termoplastu, certifikovaného pro palivo E85 a E95, pro těsnění lze používat materiály Neopren, Polypropylen,Viton a Polytetrafluorethylen (Teflon). Na ventily a jejich sedla se používá tvrzených materiálů.

Palivový systém u karburátorových motorů změníme tak, že zvýšíme dodávané množství paliva předimenzováním měrných průřezů (tryska, difuzor).

Výhodou u motoru s přímým vstřikováním je tvorba směsi přímo ve válci obrázek 1.11 Do spalovacího prostoru se přivede čerstvý vzduch, případně jeho směs s recirkulovanými výfukovými plyny, a do vzduchu je jemně rozprášen ethanol pomocí vstřikovače. Proto se vstřikuje s vysokým vstřikovacím tlakem ve vhodně tvarovaném paprsku. Nezbytné je i řízení pohybu nasávaného vzduchu, do kterého se palivo (ethanol) vstřikuje. U takto konstruovaných motorů se k řízení výkonu používá dávkování paliva, takže složení směsi je proměnlivé. Při větším zatížení motoru se palivo vstřikuje tak, aby v celém spalovacím prostoru vznikla rovnoměrně rozložená směs se složením kolem stechiometrického poměru. Taková směs je snadno zapalitelná, dobře se spaluje a výkon motoru je s tímto složením optimální. Při nižších výkonech je potřebné menší množství paliva. Ve spalovacím prostoru se vytváří chudá směs. Čím je směs chudší, tím hůře se zážehem zapálí. Proto se vstřikování paliva provádí tak, aby v okamžiku zážehu byla okolo zapalovací svíčky směs stechiometrická, zatímco zbytek spalovacího prostoru bude vyplněn velmi chudou směsí, nebo jen čerstvým nasátým vzduchem, případně inertními recirkulovanými spalinami.

Další výhodou motorů s přímým vstřikováním je snadné přeprogramování řídící jednotky z benzinu přímo na parametry ethanolových paliv. Jistou nevýhodou je však, že v palivovém systému musíme vyměnit stávající palivové komponenty tak, aby vyhovovaly pro provoz na ethanolová paliva.

U přímého vstřikování je nutno dodat do válce požadované množství paliva vstřikovačem. Toho můžeme dosáhnou tak, že zvýšíme dodávané množství paliva při zachování shodného tlaku, nebo zvýšíme tlak v palivovém systému.

Při zachování shodného tlaku v palivovém potrubí se jedná o výměnu vstřikovačů které jsou počítány na množství překračující jen 5% - 10% maximální dávky paliva do motoru. Nejjednodušší variantou je výměna vstřikovače se shodnými připojovacími rozměry za vstřikovač, který umožní dopravit do válce o cca 1,6krát více paliva než předchozí. Jak se již zmínilo, musíme také přeprogramovat řídící jednotku pro hmotnostní průtok paliva, které se zvýší cca. 1,6 krát. [11, 12]

Pokud se rozhodneme zvýšit tlak v tlakovém potrubí, potom je nutná výměna nebo úprava regulátoru tlaku v tlakové větvi potrubí. Při zachování stejného vstřikovače, zajistíme finanční úsporu, ale musí předpokládat snížení životnosti palivového příslušenství. Toto provedení proto není příliš vhodné pro dlouhodobý provoz motoru. Využití je spíše pro krátkodobé testy paliv nebo pro laboratorní účely.

Zabýváme-li se úplnou náhradou benzínu ethanolem, je nutné se zmínit, že nejlepších výsledků dosáhneme hlavně zvýšením kompresního poměru motoru.

Obvykle se kompresní poměr u benzínových motorů pohybuje okolo 10,5:1, spíše níže Obrázek 1.11: Přímý vstřik

ethanolu do válce

- kvůli detonačnímu spalování, ale u ethanolu je možné zvýšit kompresní poměr až na hodnotu 15:1. Samozřejmě je nutno přihlížet ke konstrukci motoru. Sledujeme, zda je možné takto vysokou hodnotu použít a motor upravit vzhledem k použitým materiálům a také s ohledem na největší maximální hodnoty napětí v nejvíce exponovaných místech bloku a hlavy motoru. Pokud nám to ověřovací výpočty dovolí, můžeme přejít k vlastní úpravě kompresního poměru. To můžeme udělat dvěma způsoby: snížením hlavy motoru, nebo úprava pístu, popř. kombinací obou způsobů.

Snížením hlavy motoru nezískáme sice velké zvýšení kompresního poměru, ale nezměníme hmotnosti na soustavě píst, ojnice a kliková hřídel, pro které je hmotnost důležitým činitelem, který má zásadní vliv na pružnost motoru. Zde bychom se zaměřili na kontrolu tloušťky stěny hlavy válců pod dosedacími plochami upínacích šroubů.

Hlavním omezením je nutnost zachovat alespoň minimální vůli mezi pístem při maximálním zdvihu a maximálně otevřenými ventily.

Druhá varianta je změna tvaru pístu. Na pístu provedeme nálitek. Jak již bylo zmíněno, nálitek se odrazí na velikosti setrvačných sil na pístu, a proto ho také musíme konstruovat s ohledem na hmotnost pístu. Důležitým kritériem pro návrh nálitku je, abychom pístem v horní poloze nezasahovali do geometrie ventilů.

Nyní bychom se měli zmínit o ekonomických ukazatelích, jelikož hrají hlavní úlohu při rozhodování o změnách kompresního poměru. Z tohoto důvodu se jeví jako lepší varianta snížení hlavy motoru před výrobou nových pístů s nálitky, jejichž výroba je mnohonásobně dražší než úprava snížením hlavy.

Pokud bychom potřebovali dosáhnout co nejvyššího kompresního poměru bez ohledu na konstrukci motoru a cenu úprav, navrhovali bychom použít kombinaci obou výše zmíněných variant, tedy snížit hlavu válců a zároveň zvolit vhodný nálitek pístu.

[11, 12]

1.7 Výfukové škodliviny

Každý druh spalování s sebou přináší emise, které vznikají v souvislosti s hořením a druhem použitého paliva a tomu odpovídá i množství produkovaných emisí.

Dokonalým spalováním uhlovodíkového paliva je dosažena dokonalá oxidace

uhlíku a vodíku obsaženého v palivu (CO₂) a (H₂O). Při nedokonalé oxidaci, při celkovém nebo lokálním nedostatku kyslíku, nedostatku času pro oxidaci nebo jako důsledek tzv. disociace spalin) jsou ve spalinách přítomny (CO) a (H₂). Při použití vzduchu jako okysličovadla jsou rozkladovou reakcí spaliny (N₂) a (O₂), které se objevují ve výfukových plynech. Množství (O₂), které se nepoužije k oxidaci paliva, protože byl v čerstvé směsi v přebytku, anebo se nevyužil např. kvůli nedokonalému promíšení). Za vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku (NO_x) sestávající zejména z (NO) a malého množství (NO₂). Při velmi nepříznivých podmínkách pro oxidaci paliva (velký nedostatek kyslíku, nízká teplota v blízkosti stěn, překročení mezí zápalnosti, vynechání jiskry) obsahují výfukové plyny (HC) různého složení (co do obsahu individuálních uhlovodíků). U motorů s vnější tvorbou směsi se tato složka objevuje jako součást spalin i z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za úplného nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) nastává při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jejímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách, hlavně u vznětových motorů. S výfukovými plyny odchází z motoru velmi malé množství dalších pevných částic (vysokomolekulové produkty tepelného poklesu mazacího oleje, prach, popel, částečky rzi atd.).

V prosinci r.2000 v rámci evropského výzkumného programu Auto-Oil II, organizovaného Evropskou komisí Directoriate General for Energy, byla vydána závěrečná zpráva shrnující výsledky a komplexní informace týkající se emisních faktorů osobních vozidel pro použití konvenčních (benzín, motorová nafta), tak především alternativních kapalných a plynných motorových paliv. Na základě výsledků experimentálních měření emisí základních složek výfukových plynů (CO, CH, NO^x, PM) pro řadu různých vozidel při standardních testech EHK 83 (osobní a lehká užitková vozidla) byly stanoveny průměrné emisní faktory pro jednotlivé škodliviny pro vozidla emisních kategoriích EURO 2 až EURO 4. Základem pro výpočet emisních faktorů byla experimentální data změřená pro jednotlivá alternativní paliva ve vozidlech emisní kategorie EURO 2. Faktory pro vozidla kategorií EURO 3 a EURO 4 byla následně dopočtena při zohlednění faktorů technického vývoje spalovacího prostoru, systému dávkování paliva, zařízení pro čištění výfukových plynů, kompatibility motor/palivo a

faktoru provozního opotřebení motoru. Vypočtené emisní faktory jsou v relaci k legislativně stanoveným hodnotám pro konvenční motorová paliva (tj. benzin resp.

motorová nafta) prezentovány v sloupcových grafech na obr 1.12. [15, 16]

2 Popis a parametry motoru Škoda Auto 1,2 HTP

2.1 Použití motoru

Benzinový motor Škoda Auto 1.2 HTP OHC 40 kW je prvním představitelem zcela nové generace vyspělých pohonných jednotek vyvinutých a vyráběných firmou Škoda Auto pro automobily řady Škoda Fabia a další vozy koncernu Volkswagen. Tento motor se díky své pokrokové konstrukci vyznačuje nízkou hlučností, plynulým a kultivovaným během s minimem vibrací. Blok i hlava válců jsou zhotoveny z hliníkové slitiny, což se společně s širokým využitím plastů a dalších moderních materiálů

Obrázek 1.12: Relativní emisní faktory regulovaných výfukových škodlivin pro osobní automobily při spalování různých alternativních paliv (vztaženo na příslušné emisní limity odpovídající spalování automobilového benzinu při testu EHK 83)

projevuje na nízké hmotnosti agregátu. Agregát Škoda 1.2 HTP/40 kW nahradil v roce 2001 motory se starší konstrukcí s rozvodem OHV – typy 1.0 MPI/37 kW a 1.4 MPI/44 - 50 kW. Výhodou tohoto motoru oproti starším typům motorů je dosažení vysokého točivého momentu již při nízkých otáčkách a nízké spotřebě paliva, což ocení řidiči při předjížděcích manévrech a při rychlé jízdě po dálnici. Další výhodou je spotřeba paliva;

ta se pohybuje v rozmezí 5,9 ÷ 6,7 l/100 kmv závislosti na typu vozidla. Dnes se motor 1.2 HTP objevuje ve vozech Škoda Fabia a vozech koncernu Volkswagen v několika výkonových modifikacích 44 kW (6V), 47 kW (12V), 51 kW (12V).

2.2 Technické parametry

Motor Škoda Auto 1.2 HTP je klasický řadový, čtyřdobý, benzínový tříválec, který je chlazen kapalinou. Palivo je vstřikováno do sacího kanálu, bezprostředně k sacímu ventilu. Vstřikování je časované, sekvenční tzn. vstřikovací trysky jednotlivých válců jsou otvírány postupně a palivo se vstřikuje v přesně určených okamžicích.

Údaje motoru v následujících tabulkách 2.1 – 2.7 jsou uvedeny výrobcem pouze pro provoz na benzin.

Tabulka 2.1: základní údaje

Název údaje Hodnota

jmenovitý výkon P^j [kW] 40

jmenovité otáčky n^j [min^-1] 4750 trvalý výkon přetížitelný P^t [kW] 40

počet válců v řadě 3

průměr pístu [mm] 76,5

zdvih pístu [mm] 86,9

zdvihový objem jednoho válce [dm³] 0,399 zdvihový objem motoru [dm³] 1,2 teoretický kompresní poměr [-] 10,3 výkon s přetížením P^q [kW] zpravidla při

nq = nj – 1 % 44

Tabulka 2.2: provedení motoru

Název údaje Hodnota

počet dob pracovního oběhu 4

typ spalovacího prostoru do sáního kanálu

smysl otáčení pravý

pořadí zapalování dle [14] 1-2-3

způsob chlazení kapalinou

způsob mazání tlakové

způsob spouštění bezdotykové zapalovaní (elektrické)

Tabulka 2.3: časování ventilů

Název údaje Hodnota sací otevírá [°KH před HÚ] 18±2 sací zavírá [°KH za DÚ] 40±2 výfukový otvírá [°KH před DÚ] 45±2 výfukový zavírá [°KH za HÚ] 13±2

°KH – úhel pootočení klikového hřídele

Tabulka 2.4: provozní tlaky

Název údaje Hodnota

nejvyšší dovolený podtlak v sání [MPa] 0,005

nejvyšší dovolený přetlak v sání [MPa] 0,005

střední efektivní tlak na píst [MPa] 0,8

kompresní tlak (inf.) [MPa] 1,5

max. spalovací tlak [MPa] 5,2

Tabulka 2.5: provozní teploty

Název údaje Hodnota

nejvyšší dovolená teplota výfukových plynů při Pq [°C] 710 teplota výfukových plynů při Pj [°C] 540

Tabulka 2.6: údaje o spotřebě paliva

Název údaje Hodnota

měrná spotřeba paliva [g/kWh] 292 Tabulka 2.7: údaje o otáčkách motoru

Název údaje Hodnota volnoběžné otáčky [min-1] 740

3 Pracovní oběh flexi fuel motoru

Termodynamický, tepelně-technický výpočet a simulace pracovního oběhu na E85 motoru byl proveden s využitím programu Tlak-macro, který byl sestaven na KSD TUL a slouží k výpočtu a optimalizaci základních parametrů pracovního oběhu čtyřdobého pístového spalovacího motoru. Mezi výstupní parametry, které je program schopen vypočítat, patří např.: spalovací tlaky a teplota, teplo uvolněné během hoření směsi, přestup tepla ze spalovacího prostoru stěnami, točivý moment atd .

3.1 Optimalizace a výpočet pracovního oběhu

Pro porovnání čistě benzínového provozu a provozu na E85 byl proveden výpočet a optimalizace pracovního oběhu motoru v programu Tlak-macro.

Termodynamický výpočet a optimalizace oběhů byl proveden pro režimy otáček n = 2000, 3000, 4000, 4750 ot/min. Na základě zachování stejných podmínek simulace modelů motorů, byla použita naměřená vnější otáčková charakteristika motoru Škoda Auto 1.2 HTP. Vnější otáčková charakteristika byla naměřena v laboratoři katedry Vozidel a motorů na TUL. Vzhledem k tomu, že nejsou známy všechny potřebné parametry oběhů, bylo nutné pro některé hodnoty provést výpočtový odhad (měrnou efektivní spotřebu, dávka paliva na jeden cykl aj.).

3.1.1 Základní naměřené parametry motoru

Při úpravě motoru na provoz E85 se vychází z předpokladu, že výkonové parametry oproti čistě benzinovému provozu budou stejné. Z tohoto důvodu se ve výpočtech a optimalizaci vychází z vybraných naměřených hodnot vnější otáčkové

charakteristiky a základních rozměrových parametrů uvedených v tabulce 3.1, 3.2

Tabulka 3.1: Naměřená vnější otáčková charakteristika motoru Škoda Auto 1.2 HTP - BA 95 N pro zadání do programu Tlak-macro

n

[1/min] Pe [kW] pn [Mpa] pv [MPa] Tn [K] pi

[MPa]

pef

[MPa]

pmax

[MPa] ηm [%]

2000 20,08 0,101 0,124 290 1,075 0,990 6,58 93

3000 31,40 0,101 0,125 290 1,180 1,080 6,7 91,8

4000 36,23 0,101 0,111 296 1,160 1,050 7,46 89,9

4750 37,13 0,1 0,103 296 1,130 1,010 7,39 89

n – otáčky motoru; Pe – efektivní výkon; pn – plnící tlak; pv – střední tlak ve výfukovém potrubí; Tn – teplota nasávaného vzduchu; pi – indikovaný tlak; pef – efektivní tlak; pmax

– paximální tlak; ηm – mechanická účinnost

Tabulka 3.2: základní rozměrové parametry pro zadání do programu Tlak-macro

Název údaje Hodnota

počet válců v řadě 3

průměr pístu D [mm] 76,5

zdvih pístu Z [mm] 86,9

délka ojnice L [mm] 138

teoretický kompresní poměr ε [-] 10,3

Parametry časování a zdvihu ventilů, které jsou uvedeny výrobcem a zadány jako vstupní veličiny do programu Tlak-macro jsou uvedeny v tabulce 3.3

Tabulka 3.3: parametry časování a zdvihu ventilů pro zadání do programu Tlak-macro

Název údaje Hodnota

sací otevírá SO [°KH před HÚ]

(absolutní úhel od počátku oběhu)

18 (-18)

sací zavírá SZ [°KH za DÚ] 40 (220)

výfukový otvírá VO [°KH před DÚ] 45 (495) výfukový zavírá VZ [°KH za HÚ] 13 (733)

zdvih sacího ventilu ZVS [mm] 9,3

zdvih výfukového ventilu ZVV [mm] 9,3 sací ventil – průměr sedla DSS [mm] 30 výfukový ventil – průměr sedla DSV [mm] 26 úhel sedla (sací i výfukový ventil) [°] 45

3.1.2 Vstupní parametry pro benzinový provoz

Přiklad výpočtu pro otáčky motoru nj = 2000 min^-1 . Pro další otáčky motoru nj byly jednotlivé vzorce počítany pomocí Microsoft Exel.

Měrnou efektivní spotřebu vypočteme mpe= 3600

_cbenzin. Hu_benzin (1)

mpe = 292

[

kWh^g

]

, kterou lze podle vztahu M_pe= m_pe. P_ef

3600 . i . n_j

2.60 (2)

přepočítat na dávku paliva pro jeden oběh ^Mpe

[

^cyklg

]

- dávka paliva na jeden oběh;

Pef [kW] – efektivní výkon motoru; i [-] – počet válců motoru; n^j

[

^min1

]

– jmenovité otáčky).

(uvažována účinnost benzinu ηcbenzinu = 0,29; výhřevnost benzinu BA 95 N Hubenzinu = 42,5

[

^MJkg

]

^).

Dávka paliva na jeden válec M_pe= 292 . 20,08

3600 . 3 .2000 2.60

=0,0326

[

cykl^g

]

^.

Energetická hodnota obsažená v dávce benzinu BA 95 N na pracovní oběh při jmenovitém výkonu je Qbenzinu = Mpe . Hubenzinu = 0,0326 . 10^-3 . 42,5 . 10⁶ = 1385,5J (3) Něměnné zadané hodnoty pro BA 95 N do programu Tlak-macro: LVT(benzin) = 14,48 kgvzduchu/kgbenzinteoretický přebytek vzduchu pro spálení paliva – benzinu; Qv = 300 J⋅kg^-

1K^-1 výparné teplo paliva; rp(benzin) = 72,5 J⋅kg^-1K^-1 plynová konstanta par paliva; cvp(benzin)

=3600 J⋅kg^-1K^-1 měrná tepelná kapacita paliva v plyn. stavu při stálém objemu; Hu(benzin) = 42,5MJ⋅kg^-1výhřevnost paliva

Další hodnoty do programu Tlak-macro např. plnící tlak, střední tlak ve výfukovém potrubí, předstih zážehu byly zadány podle naměřené vnější otáčkové charakteristiky. Pro některé otáčky motoru byl zvolen jiný předstih zážehu, protože přesahoval rozmezí 350°±40° programu Tlak-macro. Program Tlak-macro je zatím stále ve vývojovém režimu.

Přestupu tepla termodynamického oběhu na benzin v programu Tlak-macro je prováděn pomocí Eichelbergova modelu. Palivová skupina s parametry byla zvolena benzin.

3.1.3 Vstupní parametry pro E85

Příklad výpočtu pro otáčky motoru nj = 2000 mi^-1. Pro další otáčky motoru nj byly jednotlivé vzorce počítany pomocí Microsoft Exel.

Měrnou efektivní spotřebu spočteme mpe= 3600

_cE85. Hu_E85 (4)

mpe = 423

[

^kWhg

]

, kterou lze podle vztahu M_pe= m_pe. P_ef

3600 . i . n_j

2.60 (5)

přepočítat na dávku paliva pro jeden oběh Mpe=

[

^cyklg

]

- dávka paliva na jeden oběh; P^ef [kW] – efektivní výkon motoru; i [-] – počet válců motoru; n^j

[

^min1

]

^–

jmenovité otáčky).

výhřevnost paliva E85 HuE85 = 29,24

[

^MJkg

]

^).

Dávka paliva na jeden válec M_pe= 423 . 20,08

3600 . 3 .2000 2.60

=0,0486

[

cykl^g

]

^{. (6)}

Energetická hodnota obsažená v dávce E85 na pracovní oběh při jmenovitém výkonu je QEE5 = Mpe . HuE85= 0,0486 . 10^-3 . 29,24 . 10⁶ = 1421 J (7) Zadané hodnoty do programu Tlak-macro: LVT(E85) = 9,9 kgvzduchu/kgE85(teoretický přebytek vzduchu pro spálení paliva – E85); rE85= 178 J⋅kg^-1K^-1měrná plynová konstanta plynu;

QvE85 = 812 J⋅kg^-1K^-1- výparné teplo paliva; cvpE85 =3600 J⋅kg^-1K^-1 měrná tepelná kapacita paliva v plyn. stavu při stálém objemu ; HuE85 = 29,24 MJ⋅kg^-1výhřevnost paliva

Další hodnoty do programu Tlak-macro např. plnící tlak, střední tlak ve výfukovém potrubí jsou zadány podle naměřené vnější otáčkové charakteristiky na benzin tak, aby byly zachovány stejné podmínky termodynamického oběhu BA 95 N.

Palivo E85 má vyšší oktanové číslo, takže by se korekce na klepání neprojevila.

Tak bylo možné hledat optimální hodnoty předstihu pro toto palivo. Předstih lze zvýšit o 5°, což se zřejmě projeví na zvýšení výkonu.

Přestupu tepla termodynamického oběhu na E85 v programu Tlak-macro je prováděn pomocí Eichelbergova modelu. Palivová skupina s parametry byla zvolena Shulle.

3.2 Závěr a porovnání výsledků oběhů

Výsledky termodynamických oběhů výpočítané programem Tlak-macro jsou uvedeny graficky v přílohách P7 - Grafy tlaku a teploty ve válci motoru, P8 - Graf efektivního tlaku oběhů, P9 - Graf výkonové a momentové křivky oběhů, P10 - Graf dávky paliva na jeden cykl. Výsledky výpočítané programem Tlak-macro potvrzují předploklady rozdílu benzinového oběhu od oběhu na E85. Tyto výsledky ovlivnila změna předstihu u oběhu na palivo E85 a palivová skupina, bylo zmíněno v kapitole 3.1.3. Změna předstihu se projevila na výkonové a momentové křivce viz. příloha P9.

Výkon a točivý moment oběhu na E85 se zvýšil o 2%. Dále se nám potvrdilo tvrzení,

že u oběhu na palivo E85 musí být hmotnostní průtok paliva v trysce 1,4 krát větší viz graf příloha P10.

4 Konstrukční část diplomové práce

4.1 Úvod

Konstrukční část diplomové práce je věnována možnostem konstrukčních úprav sériového benzínového motoru 1.2 HTP OHC 40 kW od firmy Škoda Auto Mladá Boleslav. Technické parametry jsou zmíněny v předchozí kapitole 2.2.

4.2 Úpravy motoru

Vzhledem k zamýšlené přestavbě uvedeného benzinového motoru 1.2 HTP motor provozovaný na palivo E85 bych pro co nejlepší využití chemických vlastností tohoto paliva vstřikovaného do motoru navrhl níže uvedené úpravy :

a) úprava palivového příslušenství – kapitola 1.7.1., 1.7.2 b) návrh druhé palivové nádrže pro benzin – kapitola 1.7.1 c) úprava pístu – kapitola 1.7.1

4.2.1 Úprava palivového příslušenství

Výměna palivového příslušenství je nutná pro správný chod motoru a také pro startovatelnost za běžných i nízkých teplot. To zajistíme přeprogramováním údajů řídící jednotky na palivo E85. Současně s tím, nesmíme u palivového příslušenství opomenout agresivitu a korozní vlastnosti ethanolu. Z tohoto důvodu musím pro jednotlivé komponenty palivového příslušenství, které přicházejí do styku s uvedeným palivem zvolit odolný materiál.

4.2.2 Zachování shodného vstřikovacího - návrh vstřikovače

Vzhledem k zachování shodného tlaku v tlakovém palivovém systému je nutné zvýšit vstřikované množství. Toho dosáhnu výměnou vstřikovačů. Výměnu provedu nejlépe za typově shodné s již použitými vstřikovači, pouze s vyšším průtokem. Je

vhodné a úsporné použít připravených šroubení a dosedacích ploch, které jsou již na motoru připraveny.

Nyní se budu zabývat postupem výpočtu pro návrh vhodného vstřikovače:

Měrná spotřeba paliva v

[

kWh^g

]

^spočítám:

m_pe= 3600

_cE85. Hu_E85 (8)

účinnost paliva E85

η

cE85 = 0,29; výhřevnost paliva E85 HuE85 = 29,24

[

^MJkg

]

Po dosazení do vzorce dostanu : m_pe= 3600

0,29. 29,24=423

[

kWh^g

]

Pro výpočet na množství na 1 cyklus pro E85 použiji vzorec:

M_pe= m_pe. P_ef

3600 . i . n_j

2.60 (9)

i [-] – počet válců motoru; n^j

[

min¹

]

– jmenovité otáčky Dosazení do vzorce:

M_pe= 423 . 40

3600 . 3 .4750 2.60

=0,0392

[

cykl^g

]

Množství paliva na 1 válec za 1 min spočítám:

m_p=m_pcykl. n_j (10)

Po dosazení:

m_p=0,0392 . 4750=186,2

[

^ming

]

na 1 válec za 2 otáčky hustotu paliva E85 uvažuji

ρ

E85 = 784

[

^kgm³

]

Výpočet objemu vstřikovaného paliva do válce:

V_E85=

[

^mcE85^pcykl

]

⁽¹¹⁾

Dosazení:

V_E85=

[

^{0,0392. 10784 .106−3}

]

^=0,0500[cm3]

Přejdu na benzin BA 95 N

Spočítám si množství benzinu

[

^kWhg

]

m_pe= 3600

_cbenzin. Hu_benzin (12)

účinnost paliva benzinu BA 95 N

η

cbenzin = 0,29;

výhřevnost paliva BA 95 N,

Hubenzin = 42,5

[

^MJkg

]

^.

Po dosazení do vzorce dostanu : m_pe= 3600

0,29. 42,5=292,2

[

kWh^g

]

Pro výpočet na množství na 1 cyklus pro BA 95 N použiji vzorec:

M_pe= m_pe. P_ef

3600 . i . n_j

2.60 (13)

i [-] – počet válců motoru; n^j

[

min¹

]

– jmenovité otáčky Dosazení do vzorce:

M_pe= 292 . 40

3600 . 3 .4750 2.60 

=0,0273

[

cykl^g

]