Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Bc. Petr Hrazdira Brno 2011

2

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Porovnání parametrů motorů na kapalná a plynná paliva vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF Mendelovy univerzity v Brně. V Brně dne Petr Hrazdira

4 PODĚKOVÁNÍ Rád bych tímto poděkoval vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc., za jeho cenné rady a připomínky při tvorbě této práce. Dále děkuji Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za pomoc a praktické vedení při měření na vozidlové zkušebně.

5 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá porovnáním vybraných parametrů zážehového motoru spalujícího plynné a kapalné palivo. Úvodní část popisuje stručný přehled, a problematiku spojenou s využíváním alternativních paliv pro vozidlové spalovací motory, proti notoricky známým fosilním palivům, motorové naftě a benzínu. Větší pozornost úvodní části je věnována plynným palivům pro stávající spalovací motory, u nichž jsou uvedeny výhody, nevýhody a jednotlivé komponenty s jejich funkčním principem odpovídajícím danému typu a pohonu vozidla. Ústřední část práce se soustředí na vlastní vozidlo s dvoupalivovým systémem, na prostředky a na zařízení nutné k vlastnímu měření vybraných parametrů. Dále pak na vlastní měření zkoušeného vozidla na vozidlové zkušebně Mendelovy univerzity v Brně. Závěrečná a nejpodstatnější pasáž této práce je věnována zpracování a vyhodnocení naměřených hodnot z měření vozidla na LPG a na benzín. Obsahuje též zpracování výsledků do tabulek, grafické znázornění vybraných emisních a výkonových parametrů do charakteristik. Na základě výsledků měření jsou vyvozeny závěry pro provoz vozidla a jeho praktické využití. Klíčová slova: palivový systém, emise, palivo, benzín, LPG, spalovací motor ABSTRACT This diploma thesis presents a comparison of selected parameters of petrol engine burning gaseous and liquid fuel. The introduction describes a brief overview and issues related to the use of alternative fuels for combustion engines against notorious fossil fuels, diesel and gasoline. Greater attention of introduction is focused to gaseous fuels for existing combustion engines, for which the advantages and disadvantages are presented as well as the various components with their functional principle appropriate to the type of vehicle propulsion. The central part of the thesis concentrates on the vehicle with a bi-fuel system, the means and equipment necessary to measure. Further, on the measurement of the examined vehicle in the vehicle testing service at Mendel University in Brno. The final and most important passages of this work is devoted to processing and evaluation of measured values from measurements (of the vehicle running) on LPG and petrol. It also includes processing of the results into tables, graphical representations of selected performance and emission characteristics of the parameters. Based on the measurement results, the conclusions are drawn for) operation of the vehicle and its practical use. Key words: fuel system, emission, fuel, petrol, LPG, combustion engine

6 OBSAH 1 ÚVOD ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY PLYNNÁ PALIVA PRO STÁVAJÍCÍ SPALOVACÍ MOTORY Propan butan (LPG - Liquefied petroleum gas) Technická řešení systémů pro pohon LPG Komponenty plynových palivových systémů Příslušenství motoru na LPG Koncepce řízení směsi Regulace bohatosti směsi Vstřikování plynu (plynná fáze) Vstřikování plynu (kapalná fáze) Zemní plyn (CNG - Compressed natural gas, LNG - Liquefied natural gas) Výhody Nevýhody Základní komponenty CNG vozidla BIOPALIVA A ALKOHOLY Bioplyn Bionafta Bio (etanol, metanol) VODÍK Spalování vodíku v klasických motorech Palivový článek VLASTNÍ PRÁCE Cíl vlastní diplomové práce MĚŘENÉ VOZIDLO Palivový systém zkoušeného vozidla (LPG) Jednotlivé komponenty LPG systému na měřeném vozidle... 37

7 7.2 Palivový systém zkoušeného vozidla (Natural 95) Hlavní komponenty systému MPI na měřeném vozidle ZAŘÍZENÍ A SYSTÉMY POUŽITÉ PŘI VLASTNÍM MĚŘENÍ Emisní systémová analýza Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA Dynamometr pro osobní automobily MEZ 4VDM-E120D Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM-E120D Diagnostický tester DevCom TS Pro Parametry přístroje DevCom TS Pro METODIKA MĚŘENÍ NA VOZIDLOVÉM DYNAMOMETRU Výchozí barometrické podmínky měření Příprava vozidla a stanoviště před vlastním měřením Kalibrační testy Kalibrační test tachometru Kalibrační test závislosti rychlosti vozidla na otáčkách motoru Test kalibrace pro statické zkoušky výkonu Vlastní měření ZPRACOVÁNÍ A VÝSLEDKY MĚŘENÍ Zpracování měření při otevření škrticí klapky na Zpracování měření při otevření škrticí klapky na Zpracování měření při otevření škrticí klapky na Zpracování měření při otevření škrticí klapky na Zpracování měření při otevření škrticí klapky na ZÁVĚR A DISKUSE Seznam použité literatury Seznam obrázků Seznam tabulek... 79

8 1 ÚVOD Vzhledem k neustále rostoucímu počtu automobilů se musíme stále více zamýšlet nad problémy a komplikacemi, které nám jejich provoz přináší. Provoz na pozemních komunikacích neustále stoupá, a tak se kromě svých specifických negativ podílí na poškozování životního prostředí. Motorová vozidla se spalovacími motory výrazně přispívají, kromě již zmíněných negativ, k nadměrné závislosti Evropské unie na dovážených palivech a jsou jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší ve městech. Zpřísňující se normy pro emise motorových vozidel a požadavky na kvalitu pohonných hmot sice snižují emise znečišťujících látek, ale vzhledem k rostoucí intenzitě dopravy se tato opatření nejeví jako adekvátní a nepřináší dlouhodobé řešení. Paradoxní je dnes také situace, kdy se výrobci automobilů předhánějí ve snižování hodnot emisí, zvláště pak moderní se stala hodnota CO 2. Řada prezentovaných hodnot dnes dokonce klesá i pod 100 gramů na 100 ujetých kilometrů, a přitom se nejedná o hybridní automobil. Málo který z prodejců a výrobců ale udává fakt, že jeho nejnovější motor s celou řadou opatření pro snížení emisí škodlivin plnící emisní normu EURO 5 má najednou proti staršímu konstrukčně shodnému motoru plnícímu např. EURO 2 o jeden až dva litry na sto kilometrů vyšší kombinovanou spotřebu pohonných hmot. Potom je důležité zvážit, zda je efekt všech moderních systémů pro snižování škodlivin ve výfukových plynech opravdu přínosem nebo naopak je zcela nevhodný, či dokonce situaci v produkci emisí na ujetou vzdálenost ještě zhorší a je tak jen trendem dnešní doby být na pohled ekologický za každou cenu. Stále jasnější je dnes také fakt, že stávající zásoby fosilních paliv nejsou nekonečné a v dlouhodobém výhledu nejsou schopny uspokojit energetické potřeby lidské společnosti. Avšak navzdory těmto faktům závislost lidstva na fosilních zdrojích stoupá a jedním z mnoha významných přispěvatelů je automobilová doprava. Doprava se stává spolu s oblastí energetiky a průmyslu nejvyšším producentem skleníkových a škodlivých plynů. V Evropské unii je dopravní sektor druhým nejvyšším producentem skleníkových plynů ihned po energetice. V České republice je na třetím místě. Řešením pro část problémů v oblasti dopravy může být, a je použití účinných systémů a opatření k jejich snižování. Cesta ke snížení produkce emisí však zatím 8

9 nevede pouze přes opatření před motorem (ovlivnění směšovacího poměru a tvorba směsi), u motoru (ovlivnění průběhu spalování) a opatření za motorem (dodatečná redukce škodlivin - katalyzační systémy). Dobrým řešením pro úsporu produkce škodlivin mohou být např. alternativní paliva, ale také stále možné konstrukční úpravy stávajících spalovacích motorů a jejich příslušenství. Možností, technologií jak zvýšit účinnost motorů a tím snížit spotřebu a emise je stále dostatek. Návodem na technické změny, které by měly být v budoucnu zapracovány i do spalovacích motorů těch nejlevnějších vozidel nejnižších tříd mohou být tyto: stírání rozdílu mezi zážehovým a vznětovým motorem (růst komprese zvýšení termické účinnosti), vícestupňové přeplňování, přímý vstřik paliva s využitím piezoelektrických vstřikovačů, vrstvená dávka směsi, zlepšení zapalování, více ventilové variabilní časování ventilů a systémy rozvodů bez vačkového hřídele, deaktivace válců motoru při režimech nízkého zatížení, inovativní katalytické systémy (opatření za motorem), použití systémů start/stop při jízdě ve městě, snížení ztrát škrcením v sacím traktu, snížení mechanických ztrát. Do alternativních paliv se v dnešní době vkládají velké naděje. Na růst podílu jejich využití proti klasickým fosilním palivům se vyvíjí ve většině zemí světa značný tlak. Přičítá se jim možný recept na vyřešení větší části otázek spojených s negativními vlivy konvenčních paliv. Na druhou stranu se však jejich uplatnění spojuje s řadou bariér, a to především v těchto oblastech: technologicko/technické, geografické, environmentální, legislativní a institucionální, bezpečnostní, veřejné akceptovatelnosti, nákladů, nepoznaných výhod. 9

10 2 ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY Rostoucí počty automobilů a jejich provozování sebou přináší typické negativní projevy, nad kterými se musíme stále hlouběji zamýšlet a hledat nová optimálnější řešení pro dané problémy s automobily. Jak již bylo zmíněno v úvodu, doprava se stává spolu s oblastí energetiky a průmyslu nejvyšším producentem skleníkových plynů. Řešením pro část problémů může být a je použití alternativních paliv. Alternativní paliva jsou přínosem pro otázku: čistoty životního prostředí (emisí), relativně udržitelné spotřeby ropy, částečné řešení závislosti EU na dodávkách ropy, atd. Alternativní paliva chápeme jako adekvátní náhradu za klasický automobilový benzín a motorovou naftu. Hlavní zástupci pro spalovací motory jsou: stlačený a zkapalněný zemní plyn (CNG, LNG), zkapalněný propan butan (LPG), bioplyn, bionafta, rostlinné oleje a estery, alkoholová paliva (etanol a metanol) a vodík. V současné době se stále více rozšiřuje sortiment paliv, který je možné s použitím, i bez použití konstrukčních úprav užít k pohonu pístových spalovacích motorů, a to zejména motorů vozidlových. Příčinou použití běžně nezavedených druhů paliv je, jak již bylo zmíněno celá řada ekonomických, ekologických, výzkumných a vývojových důvodů. Tyto hlavní aspekty budou do budoucna rozhodovat o konkurenceschopnosti alternativních paliv vůči konvenčním zdrojům. [1, 2, 5, 8, 20] V následující tab. 1 jsou uvedeny limitní hodnoty škodlivin dle jednotlivých emisních norem pro zážehové motory včetně závazného data jejich platnosti. EU Emission Standards for Passenger Cars (Category M 1 *) Stage Date CO HC HC+NOx NOx PM PN g/km #/km Positive Ignition (Zážehový motor - Gasoline) Euro (3.16) (1.13) Euro Euro Euro Euro Euro d e,f - Tab. 1 EU emisní standardy pro osobní automobily (kategorie M1) [26] 10

11 3 PLYNNÁ PALIVA PRO STÁVAJÍCÍ SPALOVACÍ MOTORY Plynná paliva jsou z hlediska přípravy směsi výhodnější než paliva kapalná. Umožňují lepší promísení a snadnější dodržení směšovacího poměru paliva se vzduchem, a tím i menší obsah škodlivin ve výfukových plynech. Nezpůsobují vznik karbonových úsad ve spalovacím prostoru. Mají i lepší antidetonační vlastnosti než kapalná paliva. Jejich nevýhodou, bránící většímu rozšíření, je nesnadné skladování, distribuce a malá energetická hustota, vyžadující velký zastavěný objem pro umístění zásobníku paliva při jejich použití na vozidle. Zpřísňující se požadavky na čistotu výfukových plynů však působí na snahu o vyšší využití plynných paliv v provozu motorových vozidel. [5] 3.1 Propan butan (LPG - Liquefied petroleum gas) LPG v současné době využívá přes 5 miliónů vozidel na celém světě. V ČR je v provozu přes 600 čerpacích stanic na LPG. Zkapalněný ropný plyn, který je především směsí propanu a butanu, obsahuje jen velmi málo síry, žádné olovo a benzenové uhlovodíky. Umožňuje dosáhnout velmi homogenní směsi vzduchu s palivem. V kapalném stavu je bezbarvá kapalina, těkavá, specifického zápachu. Propan butan je směs zkapalněných rafinérských plynů uhlovodíků, obsahující převážně propan a butan a menší množství vyšších uhlovodíků, přičemž poměr propanu a butanu v LPG je v různých zemích odlišný. LPG vzniká při rafinaci ropy nebo jako kapalná frakce separovaná od metanu v průběhu těžby zemního plynu. Za normálních atmosférických podmínek se propan butan vyskytuje v plynné formě. Ochlazením nebo stlačením ho lze převést do kapalného stavu. V kapalném stavu zaujímá pouze 1/260 plynného objemu. Snadný přechod mezi dvěma skupenstvími je pro praxi velmi výhodný. Propan - butan je v současnosti nejvíce využívaný plyn v dopravě. Jedná se o levné, z ekologického hlediska příznivé palivo. Díky vazbě na ropu zůstává ale otázkou, zda může být LPG považováno za alternativní palivo. Propan - butan je dobré palivo pro spalovací motory, má příznivé antidetonační vlastnosti, umožňuje při svém spalování udržovat výkon motoru blízký s výkonem motoru spalujícím benzín. Základní vlastnosti propanu, butanu a benzínu jsou uvedeny v tab. 2. [1, 2, 3, 15] 11

12 Tab. 2 Základní vlastnosti propanu, butanu a benzínu [5] Přínos a výhody: čistější výfukové plyny, delší životnost mazacího oleje, delší životnost motoru, menší mechanické opotřebení (netvoří se karbon), tišší chod motoru, ekonomická výhodnost provozu, delší dojezd vozidla, možnost volby paliva (LPG Benzín). [1] Nevýhody: menší výkon, vstupní investice do pořízení, zmenšení zavazadlového prostoru (řešení v podobě umístění nádrže místo rezervy). [1] Automobil s plynem si téměř zachovává své jízdní vlastnosti. Tankování je v případě plynu velmi jednoduché a probíhá stejným způsobem jako u benzínu. Neopomenutelnou vlastností plynu je jeho cena, která se pohybuje přibližně na polovině ceny automobilového benzínu. Spotřeba LPG je ve srovnání s automobilovým benzínem vyšší. Pro použití LPG v pístových spalovacích motorech musí být podstatně vyšší čistota plynu, než je obvyklé pro použití P-B jako topného plynu v domácnosti. Pro úspěšné a bezproblémové používání je kvalita prvořadým předpokladem. Kvalitní technologie výroby LPG musí obsahovat řadu kontrolních postupů na zjišťování nežádoucích příměsí. LPG jako palivo pro osobní automobily má svůj přínos ve snížení emisí výfukových plynů při běžném provozu, dále je nutné uvést, že úspora při startu 12

13 studeného motoru je ještě vyšší. Tato výhoda má hlavní přínos v místech, kde je soustředěno mnoho lidí, jako příklad mohou sloužit centra větších měst atp. V současné době je LPG posuzováno jako palivo alternativní. Vzhledem k emisním vlastnostem plynových motorů (i s ohledem na zásoby ropy LPG se získává také při těžbě zemního plynu) dostávají plynná paliva (zemní plyn, LPG) perspektivu jako palivo po spotřebování zásob ropy. LPG je palivo s oktanovým číslem o 5 10% větším než benzín a je použitelné pro vznětové i zážehové motory. Vyšší oktanové číslo umožňuje vyšší kompresi, a tím i vyšší tepelnou účinnost spalovacího motoru. V poslední době dochází k výraznému oživení zájmu o přestavbu motorového vozidla na alternativní pohon LPG a o provozování čerpacích stanic. Tento trend kopíruje přesně vývoj ceny benzínu a nafty. Vyplývá to z vysoké ceny klasických pohonných hmot a postupného odbourávání nedůvěry veřejnosti zejména v nebezpečnost provozu přestavěných vozidel. Dlouholeté zkušenosti však potvrzují, že nebezpečí úniku plynu v provozu a riziko výbuchu při havárii je minimální. LPG je palivo, které je šetrnější k životnímu prostředí. To však platí za předpokladu spalování kvalitně vytvořené směsi a správně seřízeného motoru. Jeho cena sice roste úměrně s cenou ropy, dlouhodobě však zůstává cca na polovině ceny Naturalu 95. Podobný vývoj je i v zemích, kde má používání LPG dlouholetou tradici (Itálie, Holandsko, Francie, Belgie). V České republice je řada montážních dílen, které automobily upravují a provádějí přestavby, servis a seřizování. Některé modely vozidel lze již zakoupit se zabudovaným pohonem LPG u autorizovaných prodejců (ŠKODA, FIAT). Přestavbu lze provádět u zážehových i vznětových spalovacích motorů. Přestavba motoru vznětového je sice možná, není však u osobních automobilů ekonomicky výhodná. [1, 2, 3, 5, 15] Technická řešení systémů pro pohon LPG Popis LPG systémů můžeme rozdělit podle použití pro různé druhy motorů. Tak, jak se vyvíjely motory pro pohon automobilů, se vyvíjely postupem času i systémy pro přestavby těchto motorů na plyn. Motivem byla nedostačující technická úroveň těchto systémů a následné problémy, které přestavbu moderních motorů se zastaralým zařízením provázely. Další příčinou stejně tak, jako u benzínových palivových systémů 13

14 i u palivových systému na plyn bylo nutno plnit požadavky na snižování emisí, snižování spotřeby paliva a růst výkonových parametrů. V současné době se můžeme setkat se třemi základními systémy LPG: [15] 1. Systém s centrálním směšovačem. Stará vozidla vybavená karburátorem vystačí s jednoduchým systémem s centrálním směšovačem, jehož hlavní výhodou je nízká cena. U dnešních vozidel se vstřikováním paliva a řízeným katalyzátorem je potřeba zařízení doplněné řídicí jednotkou, jehož cena je vyšší. Systém má nižší výkon a vyšší spotřebu paliva, než vyspělé systémy. [1] 2. Systém kontinuálního vstřikování. Pro novější automobily je použitelný systém vstřikování plynu, který pracuje na obdobném principu jako systémy vstřikování benzínu. Přísun paliva je zajišťován pro každý válec zvlášť, čímž je dosaženo lepších hodnot výkonu i spotřeby než u jednodušších systémů s centrálním směšovačem. Vyšší kvalitě odpovídají i vyšší pořizovací náklady. [1] 3. Systém sekvenčního vstřikování. Zatím nejmodernějším systémem určeným pro moderní automobily je systém sekvenčního vstřikování plynu. Na rozdíl od předchozího systému jsou zde trysky zajišťující vstřikování plynu do válců elektronicky řízeny. Při použití tohoto systému se spotřeba i výkon motoru, při provozu na plyn, blíží provozu na benzín. [1] Technická řešení zařízení na obr. 1 a 2. pro alternativní pohon osobních automobilů LPG jsou si koncepčně i konstrukčně podobná, liší se pouze v drobnostech. Obr. 1 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil s karburátorovým motorem bez katalyzátoru) [6] 1 Tlaková nádrž na LPG, 2 Příslušenství nádrže, 3 Plnicí ventil, 4 Výparník (reduktor), 5 Škrticí prvek pevně nastavený, 6 Směšovač, 7 Čistič vzduchu, 8 Karburátor a sací potrubí, 9 Spalovací motor, 10 Výfukové potrubí. 14

15 Obr. 2 Schéma komponent pro pohon motoru na LPG. (automobil se vstřikováním benzínu a řízeným katalyzátorem) [6] 1 Tlaková nádrž na LPG, 2 Příslušenství nádrže, 3 Plnicí ventil, 4 Výparník (reduktor), 5 Spalovací motor, 6 Čerpadlo LPG, 7 Čistič vzduchu, 8 Sací potrubí, 9 Vstřikovač LPG, 10 Výfukové potrubí, 11 Lambda sonda, 12 Katalyzátor, 13 Řídicí jednotka motoru, 14 Řídicí jednotka LPG Komponenty plynových palivových systémů Palivový systém vozidla na LPG sestává z tlakové nádrže na LPG, palivového potrubí a příslušenství motoru pro spalování LPG. Technické požadavky na jednotlivé prvky palivového systému určují. Vyhláška Ministerstva dopravy a spojů o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích stanovuje podmínky provozu a předpis EHK č. 67. [15] Plnící ventil - přípojka dálkového plnění Je zařízení umožňující plnění nádrže z vnější strany vozidla. Konstrukce umožňuje standardní připojení k plnicímu zařízení. Uvnitř přípojky je zpětný ventil, který uzavírá automaticky výstup při ukončení plnění. Je opatřena šroubovatelnou zátkou proti vnějšímu znečištění. Jednotlivé typy plnících ventilů jsou na obr. 3. [2, 6, 15, 24, 25] Obr. 3 Typy plnících ventilů a použití v jednotlivých státech [21] Tlaková nádrž Nádrž slouží jako zásobník kapalného LPG paliva pro provoz vozidla. Tlakové nádrže rozlišujeme podle tvaru (válcové a toroidní) a použitých materiálů, (ocelové 15

16 a kompozitní). Nádrž, včetně víceúčelového ventilu je osazena plynotěsnou schránkou a soustavou odvětrávacích hadic, které odvádějí případný únik paliva mimo prostor vozidla. Palivová nádrž musí být ve vozidle řádně upevněna a prostor příslušenství nádrže má být řádně odvětráván. Musí být vybavena předepsaným příslušenstvím. Je uzavřena víceúčelovým ventilem. Nádrž je vybavena štítkem s uvedeným jménem výrobce, datem výroby a schválení, objemem nádrže s využitelnou kapacitou, výrobním a homologačním číslem. Každá nádrž je vybavena certifikátem platným deset let, ten musí být k nádrži přiložen až do konce její životnosti. [2, 6, 15, 24, 25] Víceúčelový ventil Víceúčelový ventil zabezpečuje následující provozní a bezpečnostní funkce: Provozní - plnění nádrže do max. 80% jejího objemu, odběr pohonné hmoty z nádrže, ukazatele stavu paliva v nádrži. Bezpečnostní - omezení toku paliva při úniku nad 6 l/min, zastavení toku paliva při zastavení motoru, omezení přetlaku v nádrži přetlakovým ventilem na 2,7 MPa (27 bar), ruční uzavření přívodu plynu do nádrže a k přípojce dálkového plnění, tepelná pojistka odpustí v případě požáru plyn z nádrže. [2, 6, 15] Palivové potrubí Plastem potažená měděná trubka nebo kompozitní materiál daného průměru Příslušenství motoru na LPG Příslušenství motoru na LPG obsahuje výparník LPG (neplatí pro moderní systémy se vstřikováním kapalného LPG), regulátor tlaku plynného paliva a směšovač. Další skupinou příslušenství jsou různé seřizovací prvky (např. pro základní nastavení bohatosti směsi), bezpečnostní a regulační ventily (u moderních systémů připojené k elektronickému řízení). [2] Regulátor tlaku Regulátor tlaku (výparník), odebírá teplo z chladicího systému motoru k odpaření, tj. mění kapalný PB na plynnou fázi PB. V této plynné fázi se PB přivádí ke směšovači, kde se mísí s nasávaným vzduchem, proudícím přes vzduchový filtr sacím potrubím motoru. Takto vzniklá palivová směs je poté sacím potrubím přiváděna do spalovacího 16

17 prostoru motoru. V případě systému vstřikování je PB přiváděn k jednotlivým válcům a vstřikován v blízkosti benzínových vstřikovacích ventilů. [2, 6, 15] Směšovač Směšovač je konstruován tak, aby ve spojení s regulačním členem a regulátorem tlaku dodával motoru při provozu na plyn vždy konstantní poměr plynu a vzduchu a při provozu na benzín nezhoršoval původní parametry. Na obr. 4 je uveden karburátorový palivový systém se směšovačem a na obr. 5 použití směšovače u palivového systému s vstřikováním benzínu. [6] Obr. 4 Směšovač u palivového systému s karburátorem [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Výfukové potrubí, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Směšovač, 8 - Hadice LPG, 9 - CU potrubí. Obr. 5 Směšovač u palivových systémů se vstřikováním benzínu [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Směšovač, 8 - Hadice LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka, 14 - Krokový motorek. 17

18 3.1.4 Koncepce řízení směsi Zážehový motor na LPG lze z hlediska dnešních požadavků na výkonové a emisní parametry seřídit dvěma způsoby: 1. Koncepce se spalováním stechiometrické směsi (součinitel přebytku vzduchu λ = 1) ve všech provozních režimech (nutnost elektronického řízení bohatosti směsi). Takto lze postupovat při přestavbě původně benzínového motoru. Optimalizace palivového systému vyžaduje v každém případě profesionální kvalifikaci včetně náročného technického vybavení zkušebny. Karburátorové motory provozované podle této koncepce mají oproti provozu na benzín snížený výkon. Je to způsobeno objemem plynného paliva ve směsi, která je vytvářena v sacím systému motoru. Tento způsob snižuje hmotnostní naplnění válce. [2] 2. Koncepce se spalováním extrémně chudých směsí (součinitel přebytku vzduchu λ = 1,5 1,6). Tuto koncepci uplatňujeme zpravidla při přestavbě vznětového motoru na plynový zážehový motor. Tato koncepce vyžaduje náročný vývoj a vyřešení řady motorářských otázek. [2] Regulace bohatosti směsi Zážehový motor má tři následující možnosti regulace bohatosti směsi: 1. Škrtícím šroubem (vozidla s karburátorem), pro správnou funkčnost a plnění emisních limitů je třeba nastavit optimální polohu. Tato poloha je nastavená pro volnoběžné otáčky i pro zátěž motoru a není ji možné během jízdy měnit. [15] 2. Servomotorem ovládaným samostatnou řídící jednotkou (vozidla se vstřikováním benzínového paliva). Pro správnou regulaci bohatosti směsi je nutno zajistit správnou funkčnost samostatné řídící jednotky LPG. Ta využívá k vyhodnocování a řízení stávající signály motoru RPM, TPS, MAP senzor, lambda sondu a další. [15] 3. Elektrickými vstřikovači ovládanými samostatnou řídící jednotkou (vozidla se vstřikováním benzínového i plynného paliva). V případě paralelních systémů platí totéž jako u vozidel se servomotorem, v případě sériových systémů je třeba zajistit 100% správnou funkčnost benzínové řídící jednotky. [15] 18

19 3.1.6 Vstřikování plynu (plynná fáze) Stejně jako byly karburátorové motory nahrazeny moderními motory s vstřikováním benzínu i palivové systémy na LPG doznaly změn. Vstřikování benzínu bylo pro automobilové motory vyvinuto na základě požadavků snížení zátěže životního prostředí emisemi výfukových plynů při současném zvýšení výkonu motoru s optimálním využitím paliva, tedy snížením spotřeby. Vozidla mající ve své výbavě systém vstřikování benzínu (jsou tedy vybavena elektronickými snímači, akčními členy a řídicími jednotkami) mohou tento systém doplněný několika dalšími komponenty výhodně využít pro vstřikování plynu. Plynné palivo je tedy v přesně daném množství a čase vstřikováno do sacího potrubí motoru, jak je znázorněno na obr. 6. [6] Obr. 6 Komponenty systému pro vstřikování plynné fáze LPG [6] 1 Provozní elektromagnetický ventil LPG, 2 Reduktor GENIUS se snímačem teploty LPG, 3 Těleso škrticí klapky, 4 Potrubí, 5 Dávkovač rozdělovač SMART, Snímače tlaku, 9 Snímač otáček, 10 Vstřikovací tryska, 11 Lambda sonda, 12 Sací potrubí. Výhody: zvyšuje výkon při provozu na LPG díky zlepšení plnění válců, nemá žádné znevýhodnění při provozu na benzín, odpadá potřeba různých směšovačů pro různé typy automobilů, přívod vzduchu se neupravuje, nepřemisťuje, nemění se trubice určené k odsávání olejových par či benzínu, dodatečně montované elektrické měřiče spotřeby fungují beze změny, 19

20 podstatným přínosem, proti směšovači (u motorů se vstřikováním) je, že v sacím potrubí není plyn. Snižuje se tak riziko tzv. zpětného střílení. Z hlediska dobré funkce a chodu motoru při použití pohonu na benzín nabízí systém vstřikování důležité výhody: všechny funkce řídicí jednotky pro pohon benzínem zůstávají stejné i při použití pohonu na LPG, není třeba odpojovat žádné funkce, kromě odpojení benzínu při pohonu na LPG. O systému vstřikování je tedy možné říci, že zlepšuje výkon motoru a svým řešením umožňuje přestavbu vozidel na alternativní pohon i v těch případech, kdy přestavba na systém se směšovačem byla obtížně montovatelná nebo funkčně nevýhodná. Možná řešení jsou znázorněna na obr. 7 a 8. Např. firma AGC dodává kompletní soupravy pro přestavbu vozidel. Každá souprava se skládá ze sady základní (společná pro všechny vozidla) a sady speciální (obsahuje díly a součástky na konkrétní typ vozu). Přestavba se uskutečňuje přesně podle schválené technické dokumentace výrobce. Montážní technologie je u různých typů pochopitelně odlišná. Firma BRC dodává svým servisním střediskům i soupravu specifických speciálních nástrojů pro správnou technologii montáže. [6] Obr. 7 Vstřikováním plynného paliva - paralelní systém (auta bez systémů palubní diagnostiky EOBD a OBD II. tj. do roku výroby 2001) [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Hadice LPG, 8 - Vstřikovač LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídicí jednotka. 20

21 Obr. 8 Vstřikováním plynného paliva - sériový systém (auta se systémy palubní diagnostiky EOBD a OBD II.) [15] 1 - Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku, 6 - Horkovodní okruh, 7 - Hadice LPG, 8 - Vstřikovač LPG, 9 - CU potrubí, 10 - Benzínový vstřikovač, 11- Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka Struktura zařízení Flying injection Tlaková nádrž na LPG a další zařízení až před reduktor jsou u systému vstřikování paliva zcela shodné s provedením se směšovačem. Vlastní systém začíná až reduktorem typu Genius. Pro pohon na LPG má reduktor pouze jeden stupeň. Systém pohonu plynu je vybaven vlastní diagnostikou, pro specifické funkce. 21 Z reduktoru se přivádí plyn do dávkovače rozdělovače Smart obr. 6. Do dávkovače jsou zapojeny snímače absolutního a diferenčního tlaku. Celá soustava je řízena elektronickou řídicí jednotkou Fly Gas. V ní se soustřeďují všechny informace dodávané snímači, řídicí jednotka je zpracovává a podle zadaného programu a ovládáním elektromagnetických ventilů prostřednictvím dávkovače řídí ve spolupráci s řídicí jednotkou motoru dávku plynného paliva. Řídicí jednotka reaguje i na podněty příslušenství motoru. [6] Princip funkce I když je zapojen pohon plynem, je to stále řídicí jednotka motoru, která určuje množství pohonné hmoty vstříknuté do motoru. Základní výhodou vstřikování je možnost řídicí jednotky motoru být stále funkční a řídit dávkování plynu stejnými funkcemi, tj. stechiometrií, obohacením směsi při plném zatížení, omezení maximálních otáček, řízení odvětrávání benzínových par, komunikace s řídící jednotkou klimatizace atd., podle výrobcem vozu daných kritérií.

22 Řídicí jednotka plynového pohonu je připojena k řídicí jednotce motoru v oblasti, která řídí otevírání vstřikovacích ventilů. Toto propojení umožňuje, aby podle času vstřikování a signálu o počtu otáček motoru byl signál pro množství vstřikovaného benzínu přepočítán v řídicí jednotce vstřikování plynu na množství plynu a vstřik uskutečněn prostřednictvím dávkovače. Je nutné zdůraznit, že čas vstřikování je přesná hodnota vycházející ze simulovaného zpracování výpočtů uskutečněných řídicí jednotkou motoru na základě souboru hodnot ze snímačů o skutečném jízdním režimu motoru. Vzhledem k tomu, že teplotní a tlakové podmínky plynu se mění v závislosti na čase, používá systém snímač teploty umístěný na vývodu reduktoru a odpovídajících snímačů absolutního a diferenčního tlaku umístěných v tělese dávkovače. Řídicí jednotka plynu se tak může přizpůsobit včas vlastní korekci, a tím správně reagovat na změny momentálních podmínek. [6] Jednotlivé součásti systému Flying injection Reduktor Pro použití na plyn je reduktor jednostupňový s výstupním tlakem 100 kpa (1 bar). Tlak na výstupu je kontrolován mechanicky. Na povrch membrány působí tlak plynu a vytváří prostor, který je hadicí propojen se sacím potrubím. Tím je dosaženo toho, že tlak nad membránou není konstantní, ale mění se s měnícím se tlakem v sacím potrubí. Na výstupu z reduktoru je snímač teploty, který předává informace pro řízení průtoku řídicí jednotce. Také přepínaní provozu na benzín nebo na plyn je podmíněno teplotou, protože při nízké teplotě není v reduktoru zaručeno potřebné odpaření Dávkovač - rozdělovač V hlavní části dávkovače je hliníková hlava s hrdlem přívodu plynu a přípojkou ke snímači tlaku. Uvnitř dávkovače je magnetický čistič, který zabraňuje případným kovovým nečistotám nasání do elektroventilů a jejich poškození. Dávkovač je ve spodní části vybaven hliníkovým dílem sání, přijímajícím plyn z elektromagnetických ventilů a rozdělující jej do jednotlivých válců. Dávkovač Smart má 7 elektromagnetických ventilů pracujících v režimu PCM (otevřen nebo uzavřen) a 2 elektromagnetické ventily s funkcí PWM kmitají frekvencí Hz a během jednoho cyklu můžou zůstat déle otevřeny nebo uzavřeny (podle potřeby). Touto činností dosáhneme přesné a rychlé regulace. 22

23 Snímač tlaku Slouží ke snímání absolutního tlaku v dávkovači a vytvoření signálu pro řídicí jednotku Snímač diferenčního tlaku Snímač tlaku v sacím potrubí nutný ke kompenzaci dávky paliva. Montuje se pouze v případě, že není součástí benzínového palivového systému Řídicí jednotka FLY GAS Je osazen mikroprocesorem Motorola 32 bitů. Řídicí jednotka je programovatelná a je tedy možné ji použít na jiném vozidle. V kabeláži řídicí jednotky je konektor s 56 piny, tedy koncepce používaná většinou evropských automobilek Elektromagnetický ventil Je povrchově zinkován a vybaven filtrací železných nečistot. [6] Vstřikování plynu (kapalná fáze) Systém technologie pohonu Vialle Lpi je "vícebodové vstřikovaní kapalného LPG" nebo zkráceně LPi. Automobily s LPi se mohou srovnávat s benzínovými vozidly v řídicích postupech a emisích výfukových plynů. Problém zpětných zášlehů je také odstraněn. Vialle je jediným výrobcem LPG systému se vstřikováním kapalné fáze. [19] Obr. 9 Vstřikování kapalné fáze LPG [15] 1- Tlaková nádrž, 2 - Spalovací prostor, 3 - Katalyzátor, 4 - Filtr nasávaného vzduchu, 5 - Regulátor tlaku s rozvodným blokem, 6 - Tlakové potrubí, včetně zpětného, 7 - Tlakové potrubí, včetně zpětného, 8 - Čerpadlo v nádrži, 9 - Vstřikovač LPG, 10 - Benzínový vstřikovač, 11 - Lambda sonda, 12 - Benzínová řídící jednotka, 13 - Plynová řídící jednotka. 23

24 Způsob funkce systému Zkapalněný plyn pro pohon automobilů (LPG), je pod tlakem přiváděn přímo před sací ventily jednotlivých válců. Vstřikované množství plynu řídí řídicí jednotka a zajišťuje příznivé spalování v motoru s nízkým obsahem škodlivin. Zařízení Lpi v co největší míře využívá řídicí jednotku motoru. Snímá tedy dobu vstřiku, a té přiřazuje dobu vstřiku LPG. Pro výpočet korekcí bohatosti směsi, zatížení a předstihu jsou brány údaje z benzínové jednotky motoru. Aby mohlo zařízení LPi pracovat korektně musí vstřikovat kapalinu. Vzhledem k tomu, že za normálních podmínek by docházelo v oblastech motoru ke zplyňování, je v nádrži umístěné čerpadlo viz. obr. 9, které zajišťuje potřebné zvýšení tlaku a cirkulaci LPG. Od čerpadla do motorového prostoru vedou vysokotlaké hadice. Tyto vysokotlaké hadice lépe izolují protékající palivo od okolních zdrojů tepla. Jsou dostatečně pevné, aby vydržely tlak do 3 MPa. Mezi nádrží a vstřikovacími ventily je rozvodný blok, jehož součástí je regulátor tlaku, snímač tlaku a uzavírací ventil. Rozvodný blok udržuje tlak a v případě potřeby uzavírá LPG vedení. Od rozvodného bloku je LPG vedeno ke vstřikovacím ventilům LPG a nespotřebovaná část se přes rozvodný blok zpětným vedením vrací do nádrže. [19] Přednosti technologie LPi- v porovnání s plynnou fází vstřiku Vstřikovací ventily LPG SIEMENS, s výjimkou vinutí cívky, jsou shodné jako benzínové, dodávané například pro ŠKODA AUTO a.s. Při použití vstřiku plynné fáze LPG je sice nižší cena, ale je nutné přibližně po tis. km vyměnit jádra nebo celé vstřikovací ventily vstřikovače. U plynné fáze jde o největší procento poruch. U Vialle se běžně vyskytují vozidla, která najela km na původní vstřikovače bez čištění. Ventil redukující tlak paliva je také z produkce pro benzínové motory. U reduktorů plynné fáze je třeba po km vyměnit všechny gumové součástky. Také potrubí, kterým je LPG vedeno, jsou vysokotlaké hadice s vinylovou vložkou prakticky odolnou proti všem možným nečistotám v LPG. Měděné potrubí u levnějších systémů snadno naruší sloučeniny síry, které se mohou dostat do LPG. Další výhodou zařízení je brzké přepnutí na LPG. Vstřikování plynné fáze musí mít pro přepnutí chladicí kapalinu teplou cca C, to v zimním období představuje ujetí přibližně 7 km nebo 15 minutového provozu na benzín. Výhodou je i dlouhý servisní interval cca km. [19] 24

25 3.2 Zemní plyn (CNG - Compressed natural gas, LNG - Liquefied natural gas) Zemní plyn sestává asi z 85 % metanu (CH 4 jednoduchý uhlovodík bez barvy a zápachu, hořlavý, se vzduchem vybuchující plyn, vyskytující se často v přírodě, i jako bahenní či důlní plyn), z 10 % dusíku a oxidu uhličitého a z 5 % vyšších uhlovodíků. Těží se jak z ložisek na pevnině, tak i z ložisek pod mořským dnem. Pod zkratkou CNG se rozumí stlačený zemní plyn. V zásobníku vozidla bývá stlačen až na 20 MPa (200 bar). Zkratkou LNG se označuje zemní plyn zkapalněný. K dosažení kapalného stavu je potřeba teplota -162 C. Zkapalněním se původní, výchozí objem zemního plynu zmenší zhruba šestsetkrát. V České republice se zemní plyn, jako pohonná hmota, začal uplatňovat již od roku 1981, kdy byla provedena první přestavba vozidla na zemní plyn. Počátkem 90. let patřila Česká republika v plynofikaci dopravy na přední místa ve světě. Dobře se rozbíhající program plynofikace dopravy se ale zpomalil. Počátkem 21. století zájem o zemní plyn opět roste a zemní plyn dnes patří mezi perspektivní alternativní pohonné hmoty, u kterých se počítá s rozvojem, jak dokladuje tab. 3. [2, 3, 5, 13, 16] V současné době v České republice zemní plyn jako pohonnou hmotu využívá cca vozidel, z toho: osobních a dodávkových automobilů, 270 autobusů, 20 komunálních vozidel (převážně svoz odpadu a čištění ulic), 40 ostatních (vysokozdvižné vozíky, rolby ledu). V ČR je 30 plnících stanic na CNG, roční prodej CNG v roce 2010 přesáhl 8,1 milionů m 3 a průměrná cena CNG je přibližně Kč/kg. Počet dovozců CNG osobních a dodávkových vozidel, autobusů a nákladních vozidel je 7 (Mercedes, Volkswagen, Opel, Fiat, Iveco, Ford, Renault) [16] Tab. 3 Scénáře rozvoje alternativních paliv dle Evropské komise uvedené v Bílé knize dopravní politiky (COM/2001/370) Druh paliva zemní plyn % biopaliva % vodík % 2 5 celkem %

26 3.2.1 Výhody Zemní plyn má velký potenciál pro využití jako motorové palivo. Je levný, má vysoké oktanové číslo, jedná se o čisté palivo, které nemá problémy se současnými i budoucími emisními limity. Zemní plyn může být užíván jako motorové palivo v klasických spalovacích motorech, benzínových nebo přímo plynových. Pro využívání zemního plynu ve vozidlech je zapotřebí speciální zásobník plynu a vstřikovací systém. Zemní plyn lze využívat jednak ve formě stlačeného plynu na tlak 20 MPa (200 barů), tak i ve zkapalněné formě (při teplotě -162 C). Vysokotlaká verze je v současnosti preferovanější variantou. Technologie zemního plynu je plně vyvinutá a v dlouholeté praxi vyzkoušená. Ve světě jezdí na zemní plyn více než 3 miliony vozidel v 60 zemích. Kromě možnosti přestavovat existující benzínová vozidla stále více automobilek nabízí přímo vozidla s pohonem na zemní plyn viz. obr. 15. Delší životnost zásob zemního plynu oproti ropě a rovnoměrnější rozložení nalezišť zemního plynu ve světě, je velmi významnou skutečností pro budoucí rozvoj využití zemního plynu v dopravě. Jednoduchá distribuce zemního plynu je dána přepravou již vybudovanými plynovody, jejich používáním se snižuje počet nákladních cisteren s kapalnými pohonnými hmotami na silnicích. Zemní plyn je perspektivnější oproti produktům ropy (benzínu, naftě, propan - butanu) vzhledem k jeho větším zásobám a úspoře emisí CO 2, jak vyplývá z obr. 10. [16] Obr. 10 Potenciál snížení produkce CO 2 podle druhu hnacího ústrojí [20] 26

27 Ekonomie a ekologie Náklady na pohonné hmoty jsou nižší, než u fosilních paliv. Ekologické výhody zemního plynu v dopravě jsou jednoznačné, vyplývají z jeho složení, především poměru atomů uhlíku a vodíku v molekule. Vozidla na zemní plyn produkují výrazně méně škodlivin než vozidla s klasickým pohonem, jak je patrné z obr. 11 a 12. A to nejen dnes sledovaných škodlivin oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, pevných částic, ale také i karcinogenních látek polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, aromátů včetně benzenu. Rovněž vliv na skleníkový efekt je u vozidel na zemní plyn menší v porovnání s benzínem či naftou. Zkušenosti z praktického použití vozidel s pohonem na zemní plyn ukázaly, že provoz těchto vozidel se vyznačuje především následujícími výhodami: výrazné snížení emisí pevných částic, které jsou u naftových motorů považovány z důvodu mutagenních a karcinogenních účinků za nejzávažnější, kouřivost vznětových motorů je u plynových pohonů prakticky eliminována, snížení dalších složek emisí oxidů dusíku NO x a emisí oxidu uhelnatého CO, snížení emisí oxidu uhličitého (skleníkového plynu), výrazné snížení nemetanových, aromatických a polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, snížení tvorby ozónu v atmosféře nad zemí, který způsobuje tzv. letní smog, spaliny z motorů na zemní plyn neobsahují oxid siřičitý (SO 2 ), do zemního plynu se nepřidávají aditiva a karcinogenní přísady, plynové motory mají tišší chod, úroveň hluku plynových autobusů oproti naftovým, je výrazně nižší. [16] Obr. 11 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a naftu (100 %) [16] 27

28 Obr. 12 Snížení emisí (g/km) u osobních vozidel s pohonem na zemní plyn a benzín (100 %) [16] Provoz U dvoupalivových systémů zůstává zachována možnost užívání benzínu. Zvýšení celkového dojezdu u dvoupalivových systémů (u zemního plynu o cca km). Díky čistotě paliva se prodlužuje životnost motorového oleje i samotného motoru, nevytvářejí se karbonové usazeniny. Lepší směšování plynu se vzduchem podporuje homogenitu palivové směsi, rovnoměrnější plnění válců, menší zatěžování motoru. Vysoká antidetonační schopnost vysoké oktanové číslo zemního plynu umožňuje motoru pracovat i v oblasti výrazného ochuzení palivové směsi. [16] Bezpečnost Zemní plyn je oproti benzínu, naftě a LPG lehčí než vzduch. Tlakové nádrže vyrobené z oceli, hliníku nebo kompozitních materiálů jsou bezpečnější, než nádrže benzínové. [16] Nevýhody Nedostatečná infrastruktura - každé alternativní palivo, které se snaží konkurovat tradičním pohonným hmotám, trpí neexistencí dostatečné infrastruktury potřebné k rozšíření jeho užití. Problém je menší počet plnících stanic, jak je patrné z obr. 13. Vyšší náklady na vozidlo (přestavby vozidel na plyn zvyšují cenu vozidla), dále na plnící stanice. Vzhledem k doposud malému rozšíření, a tudíž malosériové výrobě plynových vozidel, jsou náklady vyšší. Lze očekávat, že náklady klesnou s širším využíváním zemního plynu v dopravě. [16] 28

29 Obr. 13 Plnící stanice CNG v ČR [16] Zhoršení stávajícího komfortu Nutnost pravidelných kontrol plynových zástaveb. Zmenšení zavazadlového prostoru nebo užitného prostoru o prostor, který zabírá tlaková nádrž. Toto je možno řešit umístěním tlakové nádrže na střechu (autobusy), pod vozidlo (osobní, nákladní automobily) nebo do jiných prostor (např. místo náhradního kola). [16] Provozní nevýhody Zvýšení celkové hmotnosti automobilu, a tím snížení povolené hmotnosti, užitečné v důsledku instalace tlakové nádrže na plyn. Možným řešením této komplikace je užití tlakových lahví z kompozitních materiálů, které jsou lehčí než tradiční ocelové. Zpřísněná bezpečnostní opatření (garážování, opravy). Snížení výkonu motoru u přestavovaných vozidel. Menší dojezd CNG vozidel oproti klasickým palivům. [16] Základní komponenty CNG vozidla Dříve byla směs zemního plynu se vzduchem vytvářena ve směšovači, dnes ji již prakticky plně nahradily systémy se vstřikováním plynu. Podstatně kvalitnější přípravu směsi přináší právě její vstřikování do jednotlivých sacích potrubí motoru pomocí vstřikovacích ventilů. [16] 29

30 Plnící ventil Slouží k plnění tlakové nádoby vozidla zemním plynem na CNG plnících stanicích. Plnící ventil může být umístěn v motorovém prostoru u čerpacího otvoru klasických paliv nebo samostatně. V praxi jsou používány 2 typy plnění tzv. italský systém (používán hlavně v Itálii) a systém NGV 1 (používán v ostatních evropských zemích) Tlakové nádoby + multiventil Palivová nádrž zemního plynu má zpravidla objem l, je osazena armaturami pro bezpečný a spolehlivý provoz multiventilem. Ten má jak funkce provozní: uzavírá tlakovou nádobu při vypnutém zapalování, řídí odebírání plynu z nádoby, tak bezpečnostní: v případě poruchy potrubí automaticky přeruší průtok plynu, vypustí plyn při daném přetlaku, tepelná pojistka odpustí zemní plyn v případě požáru. Tlakové nádoby jsou většinou ocelové, na trh však stále více začínají pronikat odlehčené tlakové nádoby z lehkých hliníkových nebo kompozitních materiálů. U přestavovaných osobních automobilů bývají CNG tlakové nádoby většinou umístěny v zavazadlovém prostoru vozidla, u sériově vyráběných automobilů pod vozidlem nebo v jiných vhodných prostorech Propojovací vysokotlaké plynové potrubí Při plnění se přivádí zemní plyn z plnícího ventilu do tlakové nádoby, při plynovém provozu se přivádí zemní plyn z tlakové nádoby do regulátoru Regulátor tlaku plynu Slouží k redukci vysokého tlaku plynu na požadovanou hodnotu. Jeho součástí je rovněž uzavírací ventil. Regulátor z obr. 14 je umístěn v motorovém prostoru, a je napojen na vnitřní chladicí okruh motoru, z něhož odebírá teplo. Obr. 14 Regulátor tlaku paliva [16] 30

31 Elektronické vstřikovače (vozidla s vstřikováním plynu) Zařízení, které řídí vstřikování plynu do sacího potrubí jednotlivých válců. Pracuje sekvenčně, tzn., vstřikuje zemní plyn pro každý válec zvlášť Palivová lišta (vozidla s vstřikováním plynu) Je součástí vstřikovačů a přivádí zemní plyn od regulátoru tlaku k jednotlivým vstřikovačům Krokový motorek (vozidla s centrálním směšováním plynu) Na základě signálů z řídicí jednotky průběžně upravuje množství plynu, které proudí do směšovače v optimálním režimu výkonu, spotřeby paliva a množství emisí Směšovač (vozidla s centrálním směšováním plynu) Slouží ke smísení paliva zemního plynu se vzduchem a vytvoření zápalné plynné směsi. Má stejnou funkci jako karburátor nebo jednobodové vstřikování benzínu Elektronická řídící jednotka Slouží k správnému provozu vozidla na zemní plyn, spolupracuje s benzínovou řídicí jednotkou a řídí dávkování plynu dle aktuálního jízdního režimu Přepínač plyn - benzín včetně ukazatele množství paliva Je umístěn na dobře viditelném místě na přístrojové desce, u sériových vozidel je její součástí Katalyzátor s lambda sondou Lambda sonda analyzuje složení výfukových plynů, na základě jejich údajů elektronická jednotka řídí dávkování plynu. Obr. 15 Schéma zástavby osobního automobilu na stlačený zemní plyn [16] 31

32 4 BIOPALIVA A ALKOHOLY Biopalivo je kapalné nebo plynné palivo pro dopravní prostředky vyrobené z biomasy. Biomasa je nositelem obnovitelných zdrojů energie vznikajících fotosyntézou. Při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře, protože nově rostoucí rostliny jej znovu zabudují do svých tkání. Problém je ovšem v jejich výrobě, která je energeticky náročná a při bližším pohledu lze zjistit, že některá biopaliva přinášejí pouze mírnou úsporu v produkci CO 2 (biopaliva I. generace). Do budoucna je nutné se zaměřit na technologie výroby biopaliv II. generace, které přinášejí větší úsporu v produkci emisí CO 2. [1, 5, 17] 4.1 Bioplyn Bioplyn je získáván metanogením kvašením organických látek a je tvořen směsí plynu: % metan, % oxid uhličitý a 1-3 % dalších plynů (vodík, dusík, sirovodík). Používá se ve většině případů pro pohon stabilních motorů, využívaných pro výrobu elektrické energie s plným využitím odpadního tepla (kogenerační jednotky). Bioplyn je nutné pro potřeby motorových vozidel zbavit přebytku nežádoucích příměsí, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku tak, aby odpovídal požadavkům na zemní plyn (obsah metanu nad 95%). Tento proces je finančně nákladný, a tak klesá jeho perspektiva pro spalovací motory běžných vozidel. Z tohoto důvodu nebude v této práci Bioplynu věnována větší pozornost. [2, 5] 4.2 Bionafta Možnost využití řepkového oleje pro pohon vznětových motorů je zkoumána již řadu let. Použití neupravených rostlinných olejů vyžaduje konstrukční úpravy vznětových motorů a právě tato skutečnost se stala základem většího rozvoje druhé možnosti řešení. Řešení je založeno na použití chemicky vhodně upraveného paliva na bázi rostlinných olejů v konstrukčně nezměněných vznětových motorech. Úprava fyzikálně - chemických vlastností spočívá v přeměně vhodného rostlinného oleje na metylester mastných kyselin obsažených v oleji. Smyslem chemické přeměny na metylestery je přiblížit výsledné vlastnosti tohoto paliva parametrům klasické motorové nafty. Vhodným rostlinným olejem je olej řepkový. Použití čistého rostlinného oleje v motorech ale přináší více problémů, a proto se tento olej upravuje 32

33 esterifikací na metylester (MEŘO), v zahraničí se používá termín (RME Repaseed Methyl Ester). MEŘO je produkt vznikající při reakci řepkového oleje s metanolem, tedy bionafta. Čisté MEŘO brané jako bionafta I. Generace se v České republice nepoužívá. Bionafta II. Generace, která je na trhu, je směsná motorová nafta, kde je podíl MEŘO asi 31%, zbytek pak tvoří klasická motorová nafta. [1, 3, 5] Pozn.: Novelou zákona o ochraně ovzduší je od června 2010 navýšen podíl biosložky v klasické motorové naftě z původních 4,5% na rovných 6 %. [ČTK] 4.3 Bio (etanol, metanol) Použití alkoholů u zážehových motorů nevyžaduje výraznější úpravy. Vzhledem k menší výhřevnosti alkoholu je nutno zvětšit dodávku paliva do motoru tak, aby odpovídala směšovacímu poměru. Současně je nutno provést úpravy pro omezení korozních vlivů na díly palivového systému a motoru. Alkoholy mají obsah škodlivin nižší, než u motorů benzínových. U motorů vznětových je při použití alkoholu nutno přestavět tyto motory na zážehové nebo provést takovou úprava paliva, aby provozu vznětového motoru vyhovovala. V současné době lze bioetanol využít v souladu s ČSN EN 228 a přidávat do benzínu 5 obj. % a tuto směs spalovat v běžných zážehových motorech, dále jej lze používat ve speciálně upravených motorech v podobě vysokoprocentních směsí E85 (85 % bioetanolu, 15 % benzínu). Tzv. Flexi-fuel vozidla (FFV) umožňují uživateli míchat benzín s biopalivy na vysokoprocentní směsi v libovolném poměru. Další možné využití bioetanolu je ve směsi E95 (95 % bioetanolu, 5 % aditiv) používané pro pohon dieselových motorů. Etanol má vysoké oktanové číslo (107) a jeho použití v zážehových motorech nepředstavuje velký problém. Hlavní úprava spočívá ve zvětšení dávky paliva z důvodu jeho nízké výhřevnosti. Vozidlo je pak možné provozovat na libovolnou směs benzínu a E85. Na druhou stranu má etanol nízké cetanové číslo (8) a jeho použití ve vznětových motorech vyžaduje úpravu motoru. Pro vznícení etanolu je nutné zvýšit kompresní poměr na hodnotu 23, případně více, a zvýšit dávku paliva. Další úprava spočívá v aditivaci etanolu o složky podporující vznícení paliva. Vozidlo spalující E95 už není možné provozovat na motorovou naftu. [1, 5, 18] 33