ZÁŽEHOVÉ MOTORY NA ETHYLALKOHOLOVÁ PALIVA

Transkript

1 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

2 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:

3 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

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

5

6 Seznam použitých symbolů g kwh Měrná efektivní spotřeba g cykl Dávka na oběh Pef [kw ] Efektivní výkon Pj [kw ] Jmenovitý výkon i [ ] Počet válců mpe Mpe nj Hu 1 min Jmenovité otáčky MJ kg Výhřevnost paliva 3 V [mm ] Objemové množství ρ Hustota paliva η [ ] Účinnost motoru LVT 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 Roční náklady s [km] Dráha kg m3 kg kg kč rok

7 t [hod ] Čas v Rychlost km hod

8 Obsah 0 Úvod Cíl diplomové práce Teorie Historie a současnost používání alternativních paliv v ČR Schéma rozdělení alternativních paliv pro pístové spalovací motory Kapalná alternativní paliva Ethanol Výhody použití ethanolu Nevýhody použití ethanolu Výroba ethanolu Skladování ethanolu Kvalitativní požadavky na ethanol Methanol Výhody methanolu Nevýhody methanolu Výroba methanolu MTBE Výhody MTBE Nevýhody MTBE Výroba MTBE ETBE Výhody ETBE Nevýhody ETBE Výroba ETBE Závěr k alternativním kapalným palivům Flexi fuel Vehicles Typy používaných variant plnění benzinových motorů Teorie konstrukčních úprav benzinových motorů Benzinový motor provozovaný na benzin nebo směs benzin-ethanol (E85)

9 1.6.2 Benzinový motor provozovaný pouze na ethanol Výfukové škodliviny Popis a parametry motoru Škoda Auto 1,2 HTP Použití motoru Technické parametry Pracovní oběh flexi fuel motoru Optimalizace a výpočet pracovního oběhu Základní naměřené parametry motoru Vstupní parametry pro benzinový provoz Vstupní parametry pro E Závěr a porovnání výsledků oběhů Konstrukční část diplomové práce Úvod Úpravy motoru Úprava palivového příslušenství Zachování shodného vstřikovacího - návrh vstřikovače Vlastní návrh vstřikovače První úprava vozidla - zástavba a konstrukce nádrže Druhá úprava vozidla konstrukce pístu motoru Ekonomické hodnocení Kalkulace nákladů na spotřebu paliva Závěr

10 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 -10-

11 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 benzinethanol (E85) je provozováno v Brazílii, v Evropě pak ve Švédsku. -11-

12 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 % 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 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. -12-

13 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] Obrázek 1.1: Přehled formulací kapalných paliv 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 -13-

14 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 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. Obrázek 1.2: Prostorový model kyslíku navzájem v zákrytu. molekuly ethanolu 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]

15 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] 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. -15-

16 Vysoká výrobní cena. Má odmašťující a čistící účinek, napadá plastické hmoty. [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/. C 6 H 12 O6 2 C 2 H 5 OH 2 CO 2 /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

17 Obrázek 1.3: Výroba ethanolu 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] Kvalitativní požadavky na ethanol V současné době existuje česká norma s označením ČSN [5], ale připravuje se evropská norma ČSN EN [6]. Srovnání jakostních požadavků na ethanol podle těchto specifikací je uvedeno v tabulce

18 Tabulka 1.1: Jakostní požadavky na ethanol podle ČSN a EN [4] Parametr ČSN EN Vzhled čirý, bez zákalů a sedlin čirý, bez zákalů a sedlin Obsah EtOH před min. 99,7 % V /V min. 98,7 % m/ m max. 0,39 % V / V max. 0,3 % m/ m denaturací Obsah vody Hustota při 20 C Obsah EtHO po denaturaci kg m3 min Min. 95,6 % V /V Obsah volných kyselin max. 50 Odparek max. 15 mg l mg l max. 0,007 % m/ m max. 10 [ mg 100ml ] Obsah vyšších alkoholů - max. 2 % m/ m Obsah methanolu - max. 1 % m/ m Obsah anorg. chloridu - max 20 Měd [Cu] - max. 0,1 phe - Fosfor [P] - max. 0,5 Síra [S] - max. 10 mg dm3 mg kg 6,5-9 mg dm3 mg kg 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 [7]. Jakostní požadavky pro palivo E85 jsou uvedeny v tabulce

19 Tabulka 1.2:Jakostní požadavky na palivo E85 podle ČSN [4] Parametr Jednotka Hodnota OČVM min. 95 OČMM min 85 Indukční perioda min [ Pryskyřice mg 100ml Vzhled min 360 ] max 5 čirý, bez úsad Ethery (5 nebo vice atomů) % V /V max 5,2 max. 10 mg kg Síra [S] Obsah vyšších alkoholů % V /V max 2 Obsah methanolu % V /V max 1 Obsah anorg. chloridů mg dm3 max 20 Měd [Cu] max. 0,1 mg kg phe 6,5-9 Fosfor [P] pod mezí detekce Koroze na mědi třída Obsah vody max. 1 % V /V max. 0,3 % V /V min.75 Ethanol a vyšší alkoholy třída A min.70 třída B Bezolovnatý benzín třída A % V /V třída B -19-

20 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 Obrázek 1.4: Prostorový obrázku 1.4. [1, 3] model molekuly methanolu 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] 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] 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] -20-

21 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] Výhody MTBE Výhody MTBE je vyrovnání oktanové díry, která je běžná u tradičních benzinů jak je patrno z obrázku 1.5. Obrázek 1.5: MTBE a vyrovnání oktanové díry 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; -21-

22 neovlivňuje studené starty; Podpora dokonalejšího spalování z toho vyplývá snížení emisí uhlovodíků a CO. Vysoké oktanové číslo 116. [3] 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 l1. Špatná biologická odbouratelnost. Karcinogenní. [1, 3] Výroba MTBE MTBE se vyrábí reakcí izobutenu a methanolu za přítomnosti kyselých měničů iontů (katex), při teplotách 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] 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 -22-

23 náhrada MTBE v automobilových benzinech za účelem zvýšení podílu biosložek využívaných jako motorová nebo jiná paliva. [1, 3] 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] Nevýhody ETBE Nevýhoda je vysoká nákupní cena bezvodného ethanolu, který se k výrobě ETBE používá. Produkce bezvodného ethanolu není ještě dostatečně rozšířena 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). -23-

24 Tabulka 1.3: Porovnání kapalných paliv pro spalovací motory Palivo výhřevnost hustota Teoretický oktanové váhový podíl paliva paliva přebytek číslo uhlíku Hu ρp vzduchu (cetanové [%] MJ kg [ ] číslo) kg dm 3 kg vzduchu kg paliva 42,5 0,75 14, ,5 42,7 0,825 14,6 nad Ethanol 26,8 0, /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, MTBE 35,2 0,746 11, ,2 ETBE 34,2 0,745 11, ,5 [-] Motorový benzin (BA95) Motorová nafta 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] -24-

25 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 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 -25-

26 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 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 -26-

27 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 Obrázek 1.7: Topné tělísko sání umístěné v odpařovací komůrce Obrázek 1.8: příklad zásuvky pro připojení do elektické sítě Obázek 1.9: Nezávislé topení: 1kryt, 2-topné tělísko, 3-těsnění, 4-pojistný kroužek, 5-zásuvka, 6ochrané víčko -27-

28 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, 7pedál 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, 19benzinový palivový systém pro spouštění motoru [10] -28-

29 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. -29-

30 Obrázek 1.11: Přímý vstřik ethanolu do válce 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 -30-

31 - 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 -31-

32 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 (NOx) 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, NOx, 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 -32-

33 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 [15, 16] 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) 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 -33-

34 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 km v 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 jsou uvedeny výrobcem pouze pro provoz na benzin. Tabulka 2.1: základní údaje Název údaje Hodnota jmenovitý výkon Pj [kw] 40 jmenovité otáčky nj [min-1] 4750 trvalý výkon přetížitelný Pt [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 [dm ] 1,2 teoretický kompresní poměr [-] 10,3 3 výkon s přetížením Pq [kw] zpravidla při nq = nj 1 %

35 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] 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]

36 Tabulka 2.6: údaje o spotřebě paliva Název údaje měrná spotřeba paliva [g/kwh] Hodnota 292 Tabulka 2.7: údaje o otáčkách motoru Název údaje volnoběžné otáčky [min-1] Hodnota 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.) 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 -36-

37 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 pi pef pmax [1/min] Pe [kw] pn [Mpa] pv [MPa] Tn [K] ,08 0,101 0, ,075 0,990 6, ,40 0,101 0, ,180 1,080 6,7 91, ,23 0,101 0, ,160 1,050 7,46 89, ,13 0,1 0, ,130 1,010 7,39 89 [MPa] [MPa] [MPa] ηm [%] 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

38 Tabulka 3.3: parametry časování a zdvihu ventilů pro zadání do programu Tlak-macro Název údaje Hodnota sací otevírá SO [ KH před HÚ] 18 (-18) (absolutní úhel od počátku oběhu) 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) [ ] 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 m pe= mpe = 292 g kwh, kterou lze podle vztahu přepočítat na dávku paliva pro jeden oběh 3600 cbenzin. Hu benzin M pe = M pe (1) m pe. P ef n i. j 2.60 g cykl - dávka paliva na jeden oběh; Pef [kw] efektivní výkon motoru; i [-] počet válců motoru; nj 1 min otáčky). (uvažována účinnost benzinu ηcbenzinu = 0,29; výhřevnost benzinu BA 95 N Hubenzinu = 42,5 MJ kg ) (2) jmenovité

39 Dávka paliva na jeden válec M pe = ,08 g =0, cykl Energetická hodnota obsažená v dávce benzinu BA 95 N na pracovní oběh při jmenovitém výkonu je Qbenzinu = Mpe. Hubenzinu = 0, , = 1385,5J (3) Něměnné zadané hodnoty pro BA 95 N do programu Tlak-macro: LVT(benzin) = 14,48 kgvzduchu/kgbenzin teoretický přebytek vzduchu pro spálení paliva benzinu; Qv = 300 J kg1 K-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 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 m pe= mpe = 423 g kwh 3600 ce85. Hu E85, kterou lze podle vztahu přepočítat na dávku paliva pro jeden oběh M pe = m pe. P ef n i. j 2.60 M pe = (4) g cykl - dávka paliva na jeden oběh; Pef [kw] efektivní výkon motoru; i [-] počet válců motoru; nj -39- (5) 1 min

40 jmenovité otáčky). výhřevnost paliva E85 HuE85 = 29,24 Dávka paliva na jeden válec M pe = MJ kg ) ,08 g =0, cykl (6) Energetická hodnota obsažená v dávce E85 na pracovní oběh při jmenovitém výkonu je QEE5 = Mpe. HuE85= 0, , = 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-1 měrná 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 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, -40-

41 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 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 , b) návrh druhé palivové nádrže pro benzin kapitola c) úprava pístu kapitola 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 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 -41-

42 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 m pe= g kwh spočítám: 3600 ce85. Hu E85 (8) účinnost paliva E85 ηce85 = 0,29; výhřevnost paliva E85 HuE85 = 29,24 MJ kg Po dosazení do vzorce dostanu : m pe= 3600 g =423 0,29. 29,24 kwh Pro výpočet na množství na 1 cyklus pro E85 použiji vzorec: M pe = m pe. P ef n i. j 2.60 (9) i [-] počet válců motoru; nj 1 min jmenovité otáčky Dosazení do vzorce: M pe = g =0, cykl Množství paliva na 1 válec za 1 min spočítám: m p=m pcykl. n j (10) Po dosazení: m p=0, =186,2 g min na 1 válec za 2 otáčky hustotu paliva E85 uvažuji ρe85 = 784 kg 3 m -42-

43 Výpočet objemu vstřikovaného paliva do válce: m pcykl ce85 V E85 = (11) Dosazení: [ ] 0, V E85 = =0,0500[cm3 ] Přejdu na benzin BA 95 N g kwh Spočítám si množství benzinu m pe= 3600 cbenzin. Hu benzin (12) účinnost paliva benzinu BA 95 N ηcbenzin = 0,29; výhřevnost paliva BA 95 N, Hubenzin = 42,5 MJ kg. Po dosazení do vzorce dostanu : m pe= 3600 g =292,2 0,29. 42,5 kwh Pro výpočet na množství na 1 cyklus pro BA 95 N použiji vzorec: M pe = m pe. P ef n i. j 2.60 i [-] počet válců motoru; nj (13) 1 min jmenovité otáčky Dosazení do vzorce: M pe = g =0, cykl

44 Množství paliva na 1 válec za 1 min spočítám: m p=m pcykl. n j (14) Po dosazení: m p=0, =129,6 g min na 1 válec za 2 otáčky hustotu paliva BA 95 N uvažuji ρbenzin = 750 kg m3 Výpočet objemu vstřikovaného paliva do válce: m pcykl cbenzin V benzinu = (15) Dosazení: [ ] 0, V benzinu = =0,0364 [cm3 ] Vstřikovač dodává 119,4 ± 4 %g/min paliva. Vypočítám si množství paliva na 2 otáčky: [ ] P 2= 119,4 =[ 1 dávka paliva na 2 otáčky ] nj 2 (16) Po dosazení hodnot: [ ] P 2= 119,4 =0,0502[1 dávka paliva na 2 otáčky ] Vypočítám si množství paliva dodávaného za 1 [ m pstupen= P2 0,0502 = =1, ] (17) Časování: [ vstřiku = V benzinu m pstupeň ] (18) -44-

45 Dosazení: [ vstřiku = ] 0,0364 = , Vycházím z předpokladu že je nutno zachovat úhly vstřiku E85 a proto spočítám množství dávky na 2 otáčky: [ mvstřikue85 = 0,1. ] cm =237,5[ ] 2 min (19) Výslednou hodnotu zaokrouhlím nahoru a pro vstřikování uvažuji hodnotu 238 [ cm3 ]. min Vlastní návrh vstřikovače Standardně je pro motory 1.2 HTP používán vstřikovač 03D906031F (119,4 ± 4cm3/min [17] paliva. Vzhledem k nižší výhřevnosti E85 jsem dopočítal hodnoty množství pro E85, za předpokladu, že tyto hodnoty budou 1,6 násobkem hodnoty benzínu. Na základě této úvahy doporučuji použití vstřikovače typu 07D906031M. [17] Tento vstřikovač se běžně nevyskytuje v nabídce, jelikož je speciálně vyvinut a používán firmou Škoda Auto pro motory spalující ethanolová paliva v Brazílii První úprava vozidla - zástavba a konstrukce nádrže První zamýšlená úprava vozidla je konstrukce druhé menší palivové nádrže pro benzin BA 95 N, který bude sloužit pro spouštění a ohřev motoru viz. kapitola Zástavba nádrže je provedena na vozidle Škoda Fabia I typu karoserie hatchback. Pro úpravu na FFV verzi vozidla bylo nutné provést úpravy některých dílů, případně odstranit nepotřebné díly. Nedošlo k odstranění stávající seriové 45 litrové benzinové nádrže, ta bude využita pro palivo E85. Dále jsem odstranil rezervní kolo s jejím prostorem a následně upravil zadní část podvozku, tak abych docílil rovné podlahy. Ušetřil jsem tak limitovaný úložný prostor auta a v nově vzniklém prostoru jsem umístil druhou benzinovou nádrž. Benzinová nádrž obr. 4.2 bude vyráběna v malosériové výrobě, proto je -45-

46 zkonstruována jako plechový svařenec. Výroba plastové nádrže se vyplatí až u velkosériové výroby (finanční náročnost na výrobu formy). Tvarově se jedná o jednoduchý kvádr s otvory pro zástavbu dalších komponent a příslušenství. Na stěny nádrže jsou bodově přivařeny šrouby s přivařovací hlavou potřebné k uchycení čerpadla, gravitačního ventilu a filtru s regulátorem tlaku. Čepy pro vedení paliva a vzduchu jsou také bodově přivařeny. Další nezbytné součásti nádrže jsou konzolové držáky nutné k samotnému uchycení k vozidlu a objímka, která slouží k přichycení palivového filtru s regulátorem tlaku. Nádrž je plněna přes plnící hrdlo z 45 litrové sériově používané nádrže, hrdlo je součástí nádrže pod číslem 1J AE. Hrdlo je napojeno na nádrž pryžovou hadicí, ke koncovce hrdla je přivařena plastová příruba, ta je také navařena na nádrži v kovové podobě. Jednotlivé příslušenství k nádrži jsem převzal ze seriové benzinové verze a to palivový filtr s regulátorem tlaku číslo dílu 6Q C (obr. 4.3). Dále gravitační ventil číslo dílu 1K A (obr. 4.4), který slouží k odvětrávání nádrže do atmosféry, v případě dojde-li k převrácení automobilu uzavře přívod paliva. Nádrž je vybavena také čerpadlem paliva, jedná se o elektrické čerpadlo, které je umístěno přímo v benzinové nádrži číslo dílu 1K B (obr. 4.5). Součástí čerpadla je snímač hladiny, který podle polohy plováku, určuje množství paliva v nádrži. Množství paliva přepočítává podle 45 litrové nádrže, proto pro 12,5 litrovou verzi musí dojít ke změně přepočtu. Při volbě objemu nádrže jsem se řídil podle předpisu EHK 83, který předepisuje nejvýše 15 litrů, tak aby bylo vozidlo považováno za monovalentní. Objem celé nádoby jsem zvolil objem 15 litrů z důvodu dilatace paliva. Maximální množství paliva, které může nádrž pojmou je 12,5 litru což je zajištěno systémem plnění. Nádrž také obsahuje tzv. nevyčerpatelné množství paliva. Je to množství paliva, které již z nádrže pomocí čerpadla nelze vyčerpat. Nedovoluje nám to konstrukce nádrže ani čerpadla, fyzikálně je nemožné při dané konstrukci vyčerpat z nádrže veškeré palivo. Tloušťku plechu nádrže jsem volil 1,5 mm. Materiál na výrobu nádrže jsem zvolil pod označením [20], ekvivalentní označení dle ČSN je ocel Jedná se o ocel, která je odolná chemickým látkám a korozivzdorná. Další informace k materiálu v příloze P5. Při konstrukci jsem se inspiroval u bodobných nádrží již používaných v provozu např. VW Caddy verze CNG a [22]. -46-

47 Na zjednodušeném modelu nádrže jsem provedl analýzu metodou konečných prvků (MKP) hydraulické zkoušky dle předpisu EHK 34 v programu ProEngineer/ProMechanica. Výsledky analýzy MKP a výkresová dokumentace nádrže jsou v příloze. Obrázek 4.1: Benzinová nádrž Obrázek 4.3: Model Obrázek 4.2: Filtr s regulátorem tlaku gravitačního ventilu -47-

48 Obrázek 4.4: Model elektrického čerpadla se snímačem hladiny Druhá úprava vozidla konstrukce pístu motoru Druhá zamýšlená konstrukční úprava vozidla pro kterou jsem se rozhodl, je zvýšení kompresního poměru motoru. Zvýšení kompresního poměru se docílí úpravou pístu. Úpravu jsem provedl na seriovém pístu motoru Škoda Auto 1.2 HTP/40 kw. Navrhl jsem nálitek, který čistě zvýší kompresní poměr bez ohledu na typ motoru. Při návrhu nálitku jsem musel dbát na respektování geometrie soustavy sací ventil výfukový ventil píst. Nálitek musím konstruovat s ohledem na hmotnostní poměry na pístu. Při návrhu nálitku pístu jsem vycházel ze základních požadavků na zvýšení kompresního poměru z původní hodnoty 10,3 : 1 na 12 : 1. Tento kompresní poměr byl zvolen v kapitole Změna by se měla také odrazit na výkonu motoru. V této druhé zamýšlené konstrukční úpravě uvažuji provoz vozidla na vysokooktanový benzin BA 98 N, Verva 100 a nebo směsi benzinu - ethanol (E85), a to od 0% až do 85 % ethanolu. Při výpočet nálitku vycházím ze základního vzorce pro kompresní poměr = V z V k10.3 (20) Vz10.3 [cm3] zdvihový objem; Vk10.3 [cm3] kompresní objem; kompresní poměr [ ] 10,

49 Výpočet zdvihového objemu: [.d. z =[cm3 ] 4 [.7,62. 8,65=394,47 [cm3]. 4 V z10.3= V z10.3= 2 ] 2 dosadím do vzorce (21) ] z [cm] zdvih pístu Výpočet kompresního objemu pro kompresní poměr 10,3:1 V k10.3= V z ,47 =41,52 cm3. dosadím do vzorce V k10.3= 10,31 1 (22) Výpočet kompresního objemu pro kompresní poměr 12:1 V k12= V z ,47 3 =35,86 cm. dosadím do vzorce V k12= (23) Přibližný objem a velikost nálitku nám určí rozdíl obou kompresních poměru Vnálitku = Vk10.3 Vk12 = 41,52 35,86 = 5,66 cm3. Tento nálitek bude přidán na seriový píst motoru 1.2 HTP/40kW viz. příloha P7 a výkresová dokumentace pístu. 5 Ekonomické hodnocení Hlavním cílem ekonomického posouzení je: - vyčíslit rozdíl peněžních nákladů při provozu pouze na benzín a při provozu na směs benzín-ethanol [E85] + 10 min předehřev Při výpočtu není zahrnuta inflace, vyskytující se v tržních ekonomice. Vzhledem k tomu, že nelze odhadnout vývoj paliv na trhu je výpočet sestaven při současných cenách. 5.1 Kalkulace nákladů na spotřebu paliva Podle studie petrolejářského průmyslu (ČAPPO 2006) se uvažuje výrobní cena ethanolu z nových lihovarů mezi Kč/litr, zvolím výrobní cenu ethanolu 18 Kč/litr. Předpokládáme u benzinu zdanění stávající spotřební daní a u ethanolu osvobození od spotřební daně a alternativně zdanění spotřební daní z minerálních olejů. -49-

50 Základním předpokladem pro výpočet spotřeby a finančních nákladu za rok je provoz motoru při průměrné spotřebě benzinu 5,9 l/100 km udávaná výrobcem Škoda Auto a.s. U směsi E85 uvažuji navýšení průměrné spotřeby o 1,4 násobek průměrné spotřeby benzinu z toho vyplývá 8,9 l/100 km. Ve výpočtu roční spotřeby a finančních nákladů budu přepokládat km/rok. Výpočty jsou provedeny v obou režimech (pouze benzínový a směs benzin-ethanol (E85) + 10 min předehřev benzínem). V tabulce 5.1 je výpočet prodejní ceny benzinu Natural 95. V tabulce 5.2 je uveden výpočet prodejní ceny pro směsný benzin s přídavkem 85% ethanolu se spotřební daní z minerálních olejů a v tabulce 5.3 je uveden výpočet bez osvobození od daně. Tabulka 5.1: Složka ceny benzinu Natural 95 Text Cena za litr (Kč) 28,2719 % DPH =22,89 Kč Cena bez DPH Obchodní přirážka prodejce 1,50 Kč Spotřební daň z 1 litru 11,85 Kč Výrobní cena 7,05 Kč Prodejní cena benzinu Natural 95 včetně 19 % DPH 28,27 Kč Tabulka 5.2 a 5.3 uvádí výpočet pro směsné palivo obsahující 85% ethanolu a 15% benzinu. Tabulka 5.2: Složka ceny směsi 85% ethanolu a 15% benzinu-e85 (ethanol osvobozen) Text Cena v Kč Podíl 15% benzinu výrobní cena 7,05 0,15=1,05 Kč Spotřební daň 11,85 0,15=1,78 Kč Podíl E85% ethanolu (výrobní cena 18,-Kč/litr) 18 0,85=15,30 Kč Obchodní přirážka prodejce 1,50 Kč Základ pro výpočet DPH (cena bez DPH) 19,63 Kč DPH 19% 3,72 Kč Prodejní cena směsi 23,35 Kč -50-

51 Tabulka 5.3:Složky ceny směsi 85% ethanolu a 15% benzinu-e85(ethanol bez osvobození) Text Cena v Kč Podíl 15% benzinu výrobní cena 7,05 0,15=1,05 Kč Spotřební daň 11,85 0,15=1,78 Kč 18 0,85=15,30 Kč Podíl E85% ethanolu (výrobní cena 18,-Kč/litr) 11,85 0,85=10,07 Kč Spotřební daň Obchodní přirážka prodejce 1,50 Kč Základ pro výpočet DPH (cena bez DPH) 29,7 Kč DPH 19% 5,64 Kč Prodejní cena směsi 35,34 Kč Provoz pouze na benzin BA 95: průměrná spotřeba = 5,9 l/100 km roční kilometry = km Výpočet spotřeby benzinu BA 95N/20000 km: 5,9 litrů 100 km xba95n litrů 20000km z toho x BA95N = x BA95N =200 5,9 x BA95N =1180 litrů/20000 km plyne (24) xba95n [litr] množství litrů BA 95 N/20000 km. Výpočet ročních finančních nákladů x BA95N cena BA95N [ Kč ]= ,27=33358,6 Kč / rok. Provoz na E85 (osvobozen od daně): průměrná spotřeba = 8,9 l/100 km roční kilometry = km -51- NrBA95N = (25)

52 Výpočet spotřeby E85/20000 km: 8,9 litrů 100 km xe85o litrů 20000km z toho x E85o = x E85o=200 8,9 x E85o =1780 litrů/20000 km plyne (26) xe85o [litr] množství litrů E85/20000 km. Výpočet ročních finančních nákladů NrE85o x E85o cena E85o [ Kč ]= ,35=41536,1 Kč /rok. = (27) Provoz na E85 (bez osvobození od daně): 8,9 litrů 100 km xe85b litrů 20000km z toho x E85b = x E85b =200 8,9 x E85b =1780 litrů/20000 km plyne (28) xe85b [litr] množství litrů E85/20000 km. Výpočet ročních finančních nákladů NrE85b: N re85b =x E85b cena E85b [ Kč ]= ,34=62905,2 Kč /rok (29) Provoz na E85 se zapalovací dávkou při provozu za nízkých teplot: Do celkových nákladů je nutné zahrnout spotřebu čistě benzinového provozu po dobu prohřívání motoru (cca 10 min. pokud je motor studený) do doby, než je přepnut do režimu na palivo E85. V čistě benzinovém provozu budu předpokládat průměrnou rychlost 60 km/ h a průměrnou spotřebu benzinu 5,9 l/100 km. Výpočet vzdálenosti po dobu 10 minut: s=v t s=60 0,166 s=9,96 km. (30) s [km] vzdálenost; v [km/h] rychlost vozidla; t [hod] čas Výpočet spotřeby paliva po dobu 10 min: 5,9 litrů 100 km x10minlitrů 9,96km -52- z toho plyne

53 x 10min 100 = x 10min =0,0996 5,9 x10min =0,58 litrů/9,96 km ,96 (31) Provoz na E min provozu na BA 95 N: 8,9 litrů 100 km x90kmlitrů 90km x 90km 90 = x 90km =0,9 9,8 x 90km =8,01litrů / 90 km E min z toho plyne spotřeba paliva na provoz x E85 10 =x 90km x 10min =8,01 0,58=8,59 litrů/100 km (32,33) Výpočet spotřeby paliva E min provoz na BA 95 N/20000 km 8,59 litrů 100km x(e85/20000)litrů 20000km z toho plyne x E85/ = x E85/ 2000 =200 8,59 x E85/ 2000 =1718 litrů/20000 km. (34) Poměr spotřeby litrů benzinu BA 95 N je 127 litrů/20000 km a směsi E litrů/20000 km. Výpočet ročních finančních nákladů (bez osvobození od daně) NrE85b: N re85b =1590 cena E85b [ Kč ] 127 cena BA95N = , ,27=59780,3 Kč / rok (35) Výpočet ročních finančních nákladů (osvobozen od daně) NrE85o: N re85o =1590 cena E85o [ Kč ] 127 cena BA95N = , ,27=40716,9 Kč /rok (36) V tabulce 5.4 jsou uvedeny jednotlivé provozy a jejich finanční náklady při ujetí km/rok. -53-

54 Tabulka 5.4: Souhrnná tabulka finančních nákladů na provozy vozidla Text Finanční náklady v [Kč/rok] Provoz na BA 95 N 33358,6 Provoz na E85 (bez osvobození od daně) 62905,2 Provoz na E85 (osvobození od daně) 41536,1 Provoz na E min provoz na BA ,9 N (osvobozen od daně) Provoz na E provoz na BA 95 N 59780,3 (bez osvobození od daně) 6 Závěr Cílem diplomové práce bylo shrnout přehled podmínek a možností pohonu automobilů směsným palivem benzin-ethanol (E85), zpracovat projekt úprav původně benzinového vozidlového motoru pro provoz na palivo E85, vyhotovit výkresovou dokumentaci potřebných úprav motoru a stanovit očekávané provozní parametry motoru Škoda Auto 1,2 HTP. Použití paliva E85 u současných moderních zážehových motorů, je v principu možné. Velkou výhodou je možnost použití sériově vyráběného zážehového motoru, na kterém se provedou pouze minimální úpravy. Jedná se o úpravu palivového příslušenství, přeprogramování řídící jednotky motoru a výměnu vstřikovače. Vstřikovače mají zvýšený hmotnostní průtok paliva asi 1,4 krát. Tato úprava je nutná vzhledem k nízké výhřevnosti paliva E85. Emise motoru na E85 obsahují CO ve výfukových plynech přibližně stejný nebo mírně nižší, mírně vzroste obsah HC, přičemž mnohonásobně vzroste podíl aldehydů a mírně klesne obsah NOx. [21] V diplomové práci byly určeny vstupní parametry z vnější otáčkové charakteristiky tříválcového motoru Škoda Auto 1.2 HTP, které byly naměřeny v laboratoři katedry vozidel a motorů TUL. Pro oba termodynamické oběhy byly zachovány stejné vstupní podmínky plnění oběhů, dle naměřené vnější otáčkové charakteristiky. Vstupní parametry byly -54- zadány do programu Tlak-macro

55 optimalizovány a vypočteny. Výsledky mi porovnaly oběhy na benzin BA 95 N a E85. Z těchto výsledků vyplynulo, že oběhy se od liší cca 2 %. Dále jsem se zabýval ekonomickým hodnocením a kalkulací nákladů na spotřebu paliva pro pět různých kombinací provozu. Ceny stanovené pro jednotlivá paliva ovlivnily roční náklady na provoz. V tabulce 5.4 jsou uvedeny výsledky ročních nákladů jednotlivých provozů při ujetí km. Při porovnání ekonomických nákladů na jednotlivé provozy, vychází benzinový provoz výhodněji. Součástí této práce je také konstrukce a návrh zástavby benzinové palivové nádrže. Konstrukci nové benzinové nádrže se věnuji podrobně. Řeším zástavbu všech benzinových palivových komponent do nádrže, vedení paliva, plnění nádrže, odvětrání nádrže. Konstrukce palivové nádrže je provedena bez výkresové dokumentace vozidla, kterou mi ŠKODA Auto a.s. neposkytla. Na zjednodušeném modelu nádrže byla provedena simulace hydraulické zkoušky dle EHK 34 v programu ProMechanica metodou konečných prvků (MKP). V analýze MKP byla nádrž zatížena vnitřním přetlakem 0,3 baru. Zadaný přetlak nádrž neporušil, došlo pouze k trvalé deformaci, což vyhovuje předpisu EHK 34 o hydraulické zkoužce viz. příloha P5. Výsledky analýzy MKP příloha P1. Dále jsem se zabýval úpravou a konstrukcí pístu. Úpravou pístu jsem docílil zvýšení kompresního poměru motoru 12:1. Zvýšení kompresního poměru se projeví mírným nárůstem výkonu motoru. Konstrukce a úprava pístu je provedena dle dokumentace pístu získané ze Škoda Auto a.s.. K většímu rozšíření spalovacích motorů na E85 by významně prospěla: a) změna státní politiky v oblasti využívání alternativních paliv (daňové úlevy uživatelům, dotace) b) výroba takto upravených motorů c) zvětšení distribuční sítě čerpacích stanic s prodejem paliva E

56 [4] Seznam použité literatury [1] Informace získané prostředníctvím [2] Bouška, M.: Motory provozované na ethylalkoholová paliva (Diplomová práce), TUL Liberec 2004 [3] Matějovský, V.: Automobilová paliva, Grada Publishing, a.s, Praha, ISBN [4] Třebický, V.: Technické možnosti využítí paliv na bázi etanolu pro dopravní účely, Ústav paliv a maziv, a.s., Praha [5] ČSN : Kvasný líh denaturovaný, určený k použití do automobilových benzinů - Technické požadavky a metody zkoušení. Český normalizační institut 2004 [6] ČSN EN : Ethanol jako složka automobilových benzinů Technické požadavky a metody zkoušení. Český normalizační institut 2008 [7] ČSN : Ethanol E85 - Technické požadavky a metody zkoušení, Český normalizační institut 2006 [8] Kadedra agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů,vysoká škola zemědělská.: Alternativní a substituční paliva pro spalovací motory. [9] ČSN : Spalovací motory. Názvosloví pístových spalovacích motorů. Druhy motorů. Český normalizační institut 1973 [10] Bosch automobilová technika.: [11] Ferenc B.: Spalovací motory karburátory a vsřikovací paliva, ISBN [12] Červinka, O.: Pohonné jednotky I. Díl (Skripta). VŠST Liberec

57 [13] ČSN : Označování pořadí zapalování pístových spalovacích motorů. Český normalizační institut 1993 [14] Kožoušek, J.: Výpočet a konstrukce spalovacích motorů 1, SNTL,1978 [15] Vysoká škola chemicko-technologická.:technicko ekonomická analýza vhodných alternativních paliv, [16] Daniel, Š.: Spalovací motory a jejich vliv na životní prostředí (Ročníková práce), Univerzita Pardubice 2001 [17] Software ETKA 7.: Program konstrukčních a náhradních dílů automobilů koncernu VW [18] Laboratorní cvičení z předmětu Vozidlové motory.: [19] Laurin, J.: Uplatnění biopaliv k pohonu vozidlových motorů, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II Technická univerzita v Liberci, [20] Delong, D.: První automobil se zážehovým motorem na flexibilní palivo E85 v České republice. Budoucnost nebo slepá ulička. In Motorová biopaliva a směsná paliva současnost a perspektivy, Česká zemědělská univerzita, Technická fakulta, Katedra technologických zařízení staveb (ČZU TF KTZS), s ISBN [21] Varde, K.: Kontrol of Exhaust Emissions from Small Engine Using E10 and E85 Fuels. University of Michigan Dearborn, [22] Kučera, T.: Palivová soustava pro pohon vozu Škoda Romster CNG, (Diplomová práce), TUL Liberec

58 TECHNICKÁ UNIVERZITA LIBEREC Fakulta strojní Katedra vozidel a strojů PŘÍLOHY

59 Seznam příloh P1...Výsledky výpočtu MKP hydraulické zkoušky nádrže P2... Model přídavné benzinové nádrže P3... Model benzinové nádrže se zastavěným příslušenstvím P4... Materiál benzinové nádrže P5... Výběr z normy EHK 34 P6... Modely pístu motoru 1.2 HTP/40 kw Škoda Auto a.s. 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 Výkresová dokumentace BENZINOVA_NADRZ č.v. KVM-DP , NADOBA č.v. KVM-DP , CELO_NADOBY_1 č.v. KVM-DP , CELO_NADOBY_2 č.v. KVM-DP , DRZAK_FILTRU č.v. KVM-DP , KONZOLE_DRZAK č.v. KVM-DP , PLNICI_ODVZDUSNENI č.v. KVM-DP , PLNICI_PRIRUBA č.v. KVM-DP , PIST 1.2 l 2V KOMPRESNI POMER 12:1 č.v. KVM-DP A.

60 Příloha P1 Výsledky výpočtu MKP hydraulické zkoušky nádrže Hydraulická zkouška nádrže: Dle předpisu EHK 34 musí nádrž vydržet dvojnásobný pracovní tlak minimálně však 0,3 bar. Během hydraulické zkoušky se nesmí objevit trhlina ani z ní nesmí unikat palivo do okolí, může se však projevit trvalá deformace. Výsledek analýzy provedené v programu Pro Engineer/ProMechanica: Konstrukce nádrže pro analýzu je zjednodušena, vzhledem k náročnosti výpočtu. Nádrž je kontrolována pouze jako samostatná nádoba s konzolovými držáky na kterých je uchycena bez zastavěného příslušenství a dalších komponent. Zatížení nádrže vnitřním přetlakem 0,3 bar napětí, maximum:

61 Zatížení nádrže vnitřním přetlakem 0,3 bar napětí:

62 Zatížení nádrže vnitřním přetlakem 0,3 bar posunutí: Závěr analýzy MKP V analýze MKP zatěžuji nádrž vnitřním přetlakem 0,3 bar. Podle simulace hydraulické zkoušky v programu ProMechanica je maximální napětí 254 MPa. Maximální reálné hodnoty napětí nádrže se pohybují okolo 200 MPa. Stěna nádrže po zatížení přetlakem 0,3 MPa, prokazuje maximální posunutí 0,46 mm. Hodnoty napětí a posunutí z analýzy MKP je možné považovat za vyhovující, vzhledem k použitému materiálu, který má mez pevnosti MPa a mez kluzu 210 MPa. Dle předpisu EHK 34 nesmí dojít k porušení nádrže, může však dojít k její trvalé deformaci.

63 Příloha 2 Model přídavné benzinové nádrže

64

65 Řez benzinové nádrže

66 Příloha P3 Model benzinové nádrže se zastavěným příslušenstvím

67 Upevnění gravitačního ventilia vedení odvětrávání Upevnění čerpadla a vedení paliva ke gravitačnímu ventilu a zpět Napojení plnícího hrdla na nádrž a vedení odvětrání

68 Příloha P4 Materiál benzinové nádrže Nerezová ocel číslo materiálu , odpovídá české normě ČSN , odpovídá EN ISO X2CrNi18-9. Informace o materiálu z další vlastnosti o materiálu