HODNOCENÍ PARAMETRŮ VÍCEPALIVOVÝCH MOTORŮ

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy HODNOCENÍ PARAMETRŮ VÍCEPALIVOVÝCH MOTORŮ Diplomová práce Vedoucí diplomové práce: Vypracoval: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Bc. Jan Tomšej Brno 2008

2 Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma Hodnocení parametrů vícepalivových motorů vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném soupisu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. V Brně, dne... Podpis

3 Poděkování Děkuji tímto vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za odborné vedení, cenné rady a připomínky ke zpracování tématu diplomové práce, také děkuji Ing. Vítu Podlipnému za pokyny při praktickém měření, panu Svánovskému z firmy General Automobil za půjčení měřeného vozidla a také rodičům za podporu při studiu MZLU.

4 Abstrakt Cílem této práce je podat ucelený přehled o současném stavu v oblasti alternativních pohonů se zaměřením na zhodnocení parametrů vícepalivového motoru spalující palivo CNG a benzín Natural 95. Zemní plyn je alternativní palivo, které má před sebou velkou budoucnost. V práci jsou představena nejdůleţitější alternativní paliva a podrobněji je popsáno vyuţití zemního plynu jako pohonné hmoty v automobilech. Hlavním úkolem bylo zhodnotit vybrané parametry motoru, který spaloval palivo CNG a Natural 95. Měřeno bylo vozidlo Opel Combo 1,6 CNG s tovární úpravou pohonu na zemní plyn a měření proběhlo na válcovém dynamometru ve zkušebně MZLU Brno. Ve výsledcích měření je poté provedeno srovnání vybraných výkonnostních a emisních parametrů motoru a to pro palivo Natural 95 i CNG. Klíčová slova CNG, Natural 95, vícepalivový motor, emise Abstract The purpose of this thesis is to give a comprehensive overview of the current state of the art in the area of alternative drive. The focus is put on the assessment of parameters of multifuel engines burning CNG fuel and Natural 95 petrol. Natural gas is an alternative fuel, that faces a promising future. In this thesis, the most important alternative fuels are presented and the use of natural gas as fuel for cars is thoroughly described. The main task was to assess the selected parameters of engines burning CNG fuel and Natural 95 petrol. The tested vehicle was an Opel Combo 1,6 CNG with a factory adjustment to natural gas driving and the measurement proceeded on a cylindrical dynamometer in the test-room of MZLU Brno. After that, the selected efficiency and emmission parameters of the engine were compared for CNG fuel and Natural 95 petrol. Key words CNG, Natural 95, multifuel engine, emissions

5 Obsah 1. ÚVOD HISTORIE PLYNU V DOPRAVĚ Vývoj ve světě České země Současnost PŘEHLED ALTERNATIVNÍCH POHONŮ VOZIDEL Plynná paliva Biopaliva Hybridní pohon Elektromobil Vodík a palivové články ZEMNÍ PLYN Vlastnosti zemního plynu Zásoby a těţba zemního plynu Přeprava a distribuce zemního plynu CNG Plnicí stanice LNG Výhody pohonu na zemní plyn Nevýhody zemního plynu KONSTRUKCE AUTOMOBILU S CNG POHONEM Palivové soustavy CNG automobilů Komponenty systému CNG EMISE ZÁŢEHOVÉHO MOTORU Proces spalování záţehového motoru Sledované škodlivé parametry výfukových plynů VLASTNÍ PRÁCE Cíl práce Měřící zařízení Emisní analýza BOSCH ESA Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Měřené vozidlo Metodika měření... 49

6 8. VÝSLEDKY MĚŘĚNÍ Statická metoda Tabulkové zpracování Grafické zpracování Dynamická metoda měření Tabulkové zpracování výsledků Grafické zpracování výsledků ZÁVĚR LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK PŘÍLOHY... 77

7 1. ÚVOD Automobil je dnes nedílnou součástí ţivota kaţdého člověka a patří k největším vynálezům lidstva. Počet automobilů a dopravních prostředků roste takovým tempem, ţe uţ dávno předběhl populační růst. Ve vyspělých zemích jiţ dnes připadá osobní automobil na méně neţ dva obyvatele. Další velká poptávka po vozidlech se očekává s rostoucí ţivotní úrovní zejména v lidnatých asijských zemích jako je Čína a Indie. S rostoucím počtem vozidel roste však i hlad po energiích, které automobily pohání. A s tím se samozřejmě souběţně zvyšují i problémy, které sebou doprava přináší znečišťování ţivotního prostředí, smog ve městech, nadměrný hluk, kyselé deště, ohřívání atmosféry a vznik skleníkového efektu, kterému doprava značně přispívá produkcí oxidu uhličitého (CO 2 ). Většina automobilů na Zemi spaluje paliva z ropy, především benzín a motorovou naftu. Při nynějších známých zásobách a setrvání na současné spotřebě dojdou zásoby ropy asi za 40 let. Poté nezbude nic jiného, neţ přechod na jiná alternativní paliva. Tyto nové technologie je však třeba vyvíjet jiţ dnes, aby byl přechod na alternativní zdroje energie plynulý. Automobilky tak investují nemalé prostředky na vývoj alternativních pohonů, které jsou v současnosti zatím výrazně draţší neţ klasické pohony na ropné produkty. Očekává se však, ţe jiţ v roce 2020 se náklady na výrobu pohonných hmot z ropy srovnají s náklady na výrobu alternativních paliv. Hlavním důvodem bude rostoucí cena ropy, která jiţ dnes přesahuje 100 dolarů za barel. O dalších třicet let později by měla mít alternativní paliva zhruba 40procentní podíl na energetické spotřebě všech dopravních prostředků. A zde má velkou budoucnost před sebou zemní plyn jako alternativní palivo. Má největší předpoklady pro masový rozvoj jeho zásoby jsou dostatečné velké, sníţí se emise, motory nepotřebují sloţité úpravy a s jeho vyuţitím ve spalovacích motorech měli bohaté zkušenosti jiţ naši předkové. S vyuţíváním zemního plynu jako paliva se počítá alespoň do té doby, neţ bude plně nahrazen vodíkem, jehoţ pouţití se zdá v dopravě nejperspektivnější a je tak právem nazýván palivem budoucnosti

8 2. HISTORIE PLYNU V DOPRAVĚ Jako pohonná hmota slouţila v průběhu doby celá řada plynných paliv. Nejpouţívanější byly zejména svítiplyn a zemní plyn, ale také se pouţíval důlní plyn (metan), dřevoplyn, kalový plyn, generátorový plyn, vysokopecní plyn a acetylén. V současné době je k pohonu vozidel vyuţíván hlavně propan butan a zemní plyn. 2.1 Vývoj ve světě Vynález výbušného plynového motoru je spojen se jmény Rivaz a Lenoir. Švýcar Rivaz získal v r jako první patent na vozidlo poháněné výbušným motorem. Vozidlo mělo jednoválcový motor, v němţ byla elektricky zapalována směs svítiplynu a vzduchu. Úspěchu však dosáhl aţ Francouz Lenoir, který r vykonal první jízdní zkoušku v Paříţi s vozidlem poháněným na svítiplyn a s nádrţemi umístěnými na vozidle. Trasa byla dlouhá 18 km a vozidlo se pohybovalo rychlostí 6 km/h. Poté byl plynový motor neustále zlepšován dalšími vynálezci (Daimler, Benz, Otto, Langer, Mylbach, Hock) a v r byl poprvé pouţit v Ottově spalovacím motoru. V městské hromadné dopravě byl plyn poprvé pouţit pro pohon tramvají. V roce 1893 jezdilo v Dráţďanech 6 tramwayí poháněných motory na svítiplyn. Stlačený svítiplyn byl uloţen v 6 nádrţkách po 1 m 3, ve kterých byl svítiplyn stlačen přetlakem 6 atm. Vůz dosahoval rychlosti km/hod a měl dojezd aţ 40 km. Pravidelná doprava osob na uličních drahách se svítiplynovým pohonem byla zavedena také v Chicagu, Nordhausenu, Bermondsey (Anglie), Dessau (Německo). Brzy se však k pohonu výbušných motorů začaly uplatňovat i kapalné pohonné hmoty, a to nejdříve petrolej (1863), později benzín (1873) a nafta. Ty se pak staly koncem 19. a zejména v 20. století rozhodujícími v automobilovém průmyslu. O návrat plynu se postaral aţ nedostatek kapalných paliv během 1. a 2. světové války. K pouţití svítiplynu kvůli nedostatku benzínu přistoupili především Angličané, kteří připevňovali na nákladní auta gumové balóny naplněné svítiplynem z nejbliţšího plynového nízkotlakého potrubí. Nevýhodou vozidel poháněných nestlačeným plynem byl však malý akční rádius. Proto se začaly vyvíjet pohony na stlačený zemní plyn. Firma Bellis&Morcom, Ltd. na veletrhu v Birminghamu vystavovala kompresor, jímţ stlačovala plyn na cca 350 atm a plnila jej do tlakových lahví autobusů. V roce

9 upravila berlínská dopravní společnost 23 autobusů na pohon stlačeným svítiplynem. Autobusy bylo moţno plnit i z pojízdných tanků. Od konce roku 1940 přestavoval paříţský dopravní podnik autobusy na plyn. Ve 40. letech byly takto v Evropě poháněny stovky autobusů. Jako další plyn byl pouţíván dřevoplyn, zejména v Německu a to nejen pro silniční vozidla ale i pro pohon lokomotiv. Během 2. světové války je vyuţíváno také zkapalněných uhlovodíkových plynů, např. na území Německé říše jezdilo 12 tisíc nákladních automobilů na toto palivo. Po 2. světové válce bylo pouţívání plynu v dopravě ve většině evropských zemí na dlouhá léta utlumeno a do popředí se opět dostaly klasické kapalné pohonné hmoty benzín a nafta. Vyuţívání plynných paliv nastalo opět aţ v 60. a 70. letech, a poté zejména v 90 letech minulého století. (RWE Transgas 2003) 2.2 České země Obr. 1 - Vozidla na svítiplyn v Londýně, 2. svět. válka Mezi průkopníky ve vyuţití plynu v dopravě v Čechách patří Vítkovické ţelezárny. Ty jako první v r vyráběly kompresní tankovací stanice a provozovaly několik vlastních nákladních vozidel s pohonem na stlačený svítiplyn. Dalším byl dopravní podnik v Hradci Králové, který se na převedení městské autobusové dopravy na plyn dohodl s městskou plynárnou. V 30. a 40. letech jezdily plynové autobusy také v Praze, Krnově, Olomouci a Mladé Boleslavi. Ve válečných letech se pohon na stlačený svítiplyn rozšířil také do osobních vozidel, vozy vyráběla např. automobilka Wikov a Praga. V roce 1944 byl zahájen provoz prvního autobusu na nestlačený svítiplyn na lince Michle Hostivař a zpět. Autobusy vybavené zařízením na pohon nestlačeným svítiplynem byly však vhodné pouze pro kyvadlovou dopravu v dosahu plynovodní sítě. Také byl rozšířen pohon na dřevoplyn, který vyuţívaly i Českomoravské dráhy u svých motorových vozů. Po válce, podobně jako v celé Evropě, - 9 -

10 se od plynu jako pohonné hmoty upustilo. Další rozmach přišel aţ v r. 1985, kdy byly vypracovány komplexní studie řešící náhradu kapalných paliv zemním plynem, podle nichţ mělo být v cílovém roce 1995 postaveno několik desítek plnících stanic a na zemní plyn mělo jezdit několik tisíc vozidel, především nákladních automobilů a autobusů. Aţ v r bylo však uvedeno 5 autobusů poháněných stlačeným zemním plynem do městské dopravy v Praze a poté se přidala i další města, hlavně na Moravě Havířov, Frýdek Místek a Prostějov. (RWE Transgas 2003) 2.3 Současnost Obr. 2 - Autobus Praga TO na nestlačený svítiplyn ( ) Při sniţujících se zásobách ropy a jejích neustále rostoucích cenách mají před sebou plynná paliva velkou budoucnost. Jiţ velmi rozšířené palivo je zkapalněný ropný plyn LPG, který byl v 90. letech 20. stol. u nás schválen legislativními předpisy jako oficiální palivo a zvýhodněn cenou. Počet čerpacích stanic neustále narůstal, s tím i firem, zabývající se přestavbami, a v konečném důsledku vzrostl i počet vozidel. Jinak je to se zemním plynem. Zatímco ve světě se jedná jiţ o běţné palivo, v ČR na tento pohon jezdilo v loňském roce jen asi 1000 vozidel, i kdyţ se počet vozidel za posledních 12 měsíců téměř zdvojnásobil. Z tohoto počtu je asi 213 autobusů v městské hromadné a meziměstské linkové dopravě (v Ústí nad Labem 70 autobusů, v Havířově 33, v Prostějově 24, v České Lípě 21, v Liberci 8, ve Frýdku - Místku 6, po 5 v Semilech a Trutnově atd.). O nákupu dalších 110 autobusů na CNG uvaţuje i Dopravní podnik města Brna. Dále v ČR jezdí 170 osobních automobilů provozovaných plynárenskými společnostmi, 8 nákladních a svozových vozidel odpadu a zbytek jsou vozidla soukromých vlastníků, jedná se hlavně o malé dodávky. I kdyţ počet vozidel na CNG za poslední rok velmi vzrostl, většímu rozšíření zatím brání hlavně nedostatečná

11 infrastruktura plnících stanic, nedostatečná nabídka vozidel s pohonem na CNG a cena vozidel nebo přestaveb. (RWE Transgas 2003) Zato v Evropě jen za poslední rok vzrostl počet aut na zemní plyn o 22 %. 100 tisíc vozů uţ dnes jezdí například na Ukrajině, 400 tisíc v Itálii, 55 tisíc v Německu atd. Celkem je nyní provozováno ve více neţ 50 zemích světa uţ okolo 7,5 milionu CNG vozidel. V Argentině dokonce jezdí více aut na CNG neţ na klasická paliva, v Brazílii nebo Pákistánu jich jezdí více neţ milion. V Německu bylo otevřeno k dnešní době jiţ 776 plnících stanic, obdobně hustá je síť i v Itálii a Francii, v ČR je to prozatím jen 22 plnících stanic, z toho 18 je veřejných. Zemní plyn však patří společně s biopalivy mezi nejperspektivnější alternativní paliva, s jejichţ masovým rozšířením v příštích letech počítá i Evropská unie. Do roku 2020 by měl mít zemní plyn minimálně desetiprocentní podíl na celkové spotřebě pohonných hmot v dopravě. (ČPS 2008)

12 3. PŘEHLED ALTERNATIVNÍCH POHONŮ VOZIDEL 3.1 Plynná paliva a) LPG V současnosti nejrozšířenějším alternativním palivem je LPG (Liqiuefield Petroleum Gas). Propan butan je směs uhlovodíků, která se získává jako vedlejší produkt při rafinaci ropy. Tento plyn je moţné ochlazením nebo stlačením převést do kapalného stavu, ve kterém má mnohem menší objem, který se zmenší na 1/260 svého plynného objemu. V tomto skupenství se směsí vzduchu se také pouţívá jako palivo pro automobily. Přestavba záţehového motoru na LPG je velice jednoduchá, pro mluví i příznivá cena a dostatečná infrastruktura plnicích stanic. Nevýhodou se ale můţe zdát pokles výkonu, vyšší spotřeba a vyšší hmotnost přestavěného vozidla. I z ekologického pohledu je LPG příznivé palivo. Díky vazbě produkce na ropu však LPG otázku paliva pro budoucnost neřeší. b) Zemní plyn Jako výhodnější alternativa k ropným palivům se jeví zemní plyn. Pouţívá se ve dvou formách, jako stlačený zemní plyn CNG (Compressed Natural Gas) nebo ve zkapalněné formě LNG (Liquefied Natural Gas). Motor jde také poměrně snadno upravit pro pohon CNG, ale přestavba je draţší proti LPG. Zemní plyn je však také fosilní palivo, jeho zásoby jsou ale proti ropě mnohem vyšší. Také produkce škodlivin z hoření dosahuje oproti ropným palivům niţší hodnoty. 3.2 Biopaliva Biomasa je uplatňována jako alternativní zdroj energie od první ropné krize v roce Evropská unie se zavázala do roku 2020 zvýšit podíl biopaliv na 10 % na celkovém energetickém trhu. V principu nabízejí biopaliva ideální alternativu zaloţenou na přebytcích rostlinné výroby a z hlediska ţivotního prostředí nízké emisní hodnoty, na druhou stranu je jejich výroba velmi nákladná a draţší, neţ u klasických pohonných hmot. Vyuţití zemědělských komodit pro bioenergii je téţ důvodem zvyšování světových cen potravin. Od září roku 2007 se do nafty přidává biosloţka MEŘO (methylester řepkového oleje). Nafta pak obsahuje asi 5 % MEŘA. Od ledna roku 2008 se pak i do benzínu

13 přimíchává bioetanol nebo li biolíh, zatím však jen ve velmi malém mnoţství. V západní Evropě se pak stále více rozšiřuje palivo označené E85, které obsahuje pouhých 15 % benzínu a 85 % biolihu. Biologický materiál můţe být uţíván jako pohonná hmota několika způsoby: z řepky se vyrábí methylester řepkového oleje rafinačním procesem - tzv. esterifikací. Výsledný produkt MEŘO tvoří biosloţku nafty; cukrová řepa, obilí a další rostliny mohou být prostřednictvím fermentace přeměněny na bioetanol, který můţe být uţit jako součást benzínu, nebo přímo v čisté formě jako motorové palivo, nebo jako součást benzínu po konverzi na ETBE reakcí s isobutenem. V budoucnu by se měl vyrábět bioetanol ze dřeva nebo slámy; organický odpad můţe být přeměněn na energii, která můţe být vyuţita jako automobilové palivo: o odpadní olej jako součást bionafty; o domácí, zvířecí, rostlinný odpad jako bioplyn. Nejdůleţitější biopaliva: a) Etanol Vyrábí se z biomasy, nejčastěji z rostlin nebo zbytků obsahujících větší mnoţství škrobu a sacharidů (kukuřice, obilí nebo brambory, také cukrová třtina a řepa), proto je také označován jako biolíh. Bioetanol lze pak přímo pouţívat ve spalovacích motorech jako pohonnou hmotu v čisté formě, častěji se však přimíchává v menším mnoţství do benzinu, v rozmezí 3 aţ 15 %. Výhodou vyuţití etanolu je sníţení emisí a dokonalejší spálení, nevýhodou pak rychlejší koroze kovových materiálů a detergentní účinek. Nejvíce rozšířený je bioetanol v Brazílii, dále také ve Skandinávii. Bioetanol vyrobený z kukuřice se rovněţ pouţívá jako aditivum do většiny automobilových benzínů v USA. Obsah alkoholu v USA je většinou 10 %. b) Metanol Metanol se vyrábí z fosilních paliv (ropy, zemního plynu, uhlí) nebo také z biomasy suchou destilací dřeva. Nevýhodou výroby z biomasy je asi dvojnásobná cena oproti výrobě syntetického metanu. Vozidla jezdící na metanol se z hlediska výkonu a dojezdu velmi podobají vozidlům na benzín nebo naftu, metanol má však vyšší oktanové číslo neţ benzín. Metanol vyrobený z biomasy má také niţší emise a to

14 aţ o 70 % proti benzínu. Nevýhodou je toxicita, má negativní vliv na plastické hmoty a zvyšuje se moţnost koroze u kovových materiálů. c) Bionafta Pro výrobu bionafty se nejčastěji pouţívá řepkový olej. Ten se dále esterifikací upravuje na palivo nazývané v ČR MEŘO (MetylEster Řepkového Oleje), v zahraničí označovaný jako RME (Rapeseed Methyl Ester). Čisté MEŘO je produkt reakce řepkového oleje s metanolem, čímţ vzniká čistá bionafta. Tato směs se však samostatně v České republice nepouţívá. Více se pouţívá tzv. směsná bionafta s 31 % podílem MEŘA a zbytek tvoří klasická motorová nafta. Rovněţ do klasické nafty se podle zákona přimíchává sloţka MEŘO, má však jen 5 % podíl. MEŘO má dobré ekologické vlastnosti, při jeho spalování je produkováno méně škodlivých emisí neţ u nafty, především nespálených uhlovodíků a oxidu uhličitého, rovněţ kouřivost je niţší, kladná je také energetická bilance. Skladování však přináší potíţe s oxidační stálostí paliva. Dalšími nevýhodami je také zanášení vstřikovacích trysek, zvýšení korozivních účinků, tvorba úsad na stěnách spalovacího prostoru a poškozování pryţových součástek palivového systému. d) Bioplyn Bioplynem se rozumí palivo vzniklé metanogením kvašením organických hmot jako chlévská mrva, prasečí kejda, rostlinná biomasa (obilí, kukuřičná siláţ, senáţ, sláma, řepka, rostlinné odpady) nebo odpady z městských čistíren (kalový plyn). Bioplyn je tvořen směsí metanu (55 75 %), oxidu uhličitého (25 40 %) a cca 1 3 % dalších plynů (vodík, dusík, sirovodík). Bioplyn je pak pro účely pohonu motorových vozidel zbaven neţádoucích příměsí, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku, tak aby odpovídal poţadavkům na zemní plyn (obsah metanu vyšší neţ 95 %, výhřevnost srovnatelná). Výhodami pouţití bioplynu jsou především niţší emise a asi 30 % sníţení nákladů na palivo. Hlavními nevýhodami jsou náročné čištění na poţadovanou kvalitu, jeho omezené mnoţství a pouze lokální moţnosti vyuţití. Bioplyn je nyní vyuţíván zejména pro spalování v kogeneračních jednotkách pro výrobu elektrické energie s případným vyuţitím odpadního tepla. V dopravě je pouţíván ojediněle jen ve Švédsku, Švýcarsku, Francii, Islandu, USA a v Brazílii. Například ve Švýcarsku je rozšířen bioplyn nejvíce a je zde nabízen pod názvem Kopogas v kvalitě zemního plynu

15 3.3 Hybridní pohon Hybridní pohon je moţnou alternativou pro blízkou budoucnost. Tvoří mezičlánek v pohonu automobilu klasickým spalovacím motorem a elektromotorem. Hybridy si zachovávají výhody benzínových (naftových) motorů a elektromobilů a zároveň potlačují jejich nevýhody. Hybridní vozidlo má 2 motory, spalovací a elektromotor. Elektromotor pracuje obousměrně, jednak jako motor, kdy převádí elektrickou energii z baterie na energii mechanickou, a pak také jako generátor, kdy je mechanická energie transformována zpět na energii elektrickou a akumulována v baterii. Spalovací motor má menší objem a je mu v případě potřeby vypomáháno, například při akceleraci, elektromotorem. Ve městě, při pomalé jízdě vůz zase vyuţívá elektromotor a jezdí tedy velmi ekologicky. V okamţiku, kdy automobil disponuje velkou kinetickou nebo setrvačnou energií, elektromotor funguje jako generátor a nabíjí baterie. Energie pohonu tedy závisí na okolnostech jízdy a automobil vyuţívá nejvýhodnější reţim. Protoţe dochází k průběţnému dobíjení baterií v průběhu jízdy, baterie mohou být menší (a levnější) neţ u klasických elektromobilů. Dva motory a další technická vylepšení však zvyšují cenu a váhu vozidla. Výhodou je však niţší spotřeba a sníţení produkce škodlivých emisí. Prvním sériově vyráběným vozem s tímto pohonem se stala v roce 1997 Toyota Prius. Pro pohon byl vyuţit záţehový čtyřválec o objemu 1,5 l s výkonem 43 kw a 30 kw synchronního motoru. Těchto vozů se prodalo ve světě jiţ přes 150 tisíc. Dalšími automobilkami, které nabízejí nebo vyvíjejí hybridní vozy, jsou Lexus, Mercedes Benz, Honda, BMW, Volvo nebo Audi. (Horčík 2006) Obr. 3 - Koncepce hybridního pohonu Mercedes - Benz třídy S

16 3.4 Elektromobil Elektromobily jsou vyvíjeny a komerčně nabízeny jiţ řadu let, zatím se jim ale nedostalo velkého rozšíření a leţí i na okraji zájmu veřejnosti. Elektrický pohon neprodukuje prakticky ţádné škodlivé emise, má nízkou hladinu hluku, příznivou výkonovou charakteristiku a jednoduchou obsluhu a spouštění. Nevýhodami je pak především velmi malý akční rádius, niţší výkon, vyšší cena a případně i vyšší nebezpečí při havárii. Podle podmínek provozu se dělí elektrická vozidla na dvě skupiny, a sice pro provoz po silnicích a pro přepravu v podniku. Rychlost vozidel pro vnitropodnikou přepravu je většinou pod hranicí 50 km/h. Nejrozšířenější jsou elektromobily zatím v městské dopravě. Vnitřní okruhy velkých měst mají zavedeny trolejbusy, které mají elektromotory s trolejovým přívodem proudu. Je-li k dispozici plošné pokrytí infrastruktury k nabíjení baterií a moţnosti zpětného vyuţití brzdné energie, pak se jedná o bateriové elektrické vozidlo. V poslední době se ale v mnoha zemích dostává rozvoji elektromobilů velké podpory. Důvodem jsou hlavně snahy zlepšit ţivotní prostředí, zejména ve městech, pro které je elektromobil ideální. Kaţdá světová automobilka uţ představila koncept nebo studii elektromobilu. (Kameš 2004) 3.5 Vodík a palivové články Vodíkové pohony jsou v současnosti předmětem intenzivního vývoje mnoha světových automobilek a jsou nazývány pohonem budoucnosti. Vodíku jako alternativního pohonu je moţné vyuţít ve dvou formách: a) Spalování vodíku v klasických motorech Vodík (stlačený nebo zkapalněný) se spaluje obdobně jako běţné pohonné hmoty. Palivový systém motoru je přizpůsoben pomocí elektronického směšovacího systému motoru, který určuje směšovací poměr vodíku a vzduchu. Spalování probíhá za přebytku vzduchu a díky nízké teplotě spalování vzniká jenom voda a malé mnoţství oxidů dusíku, které jsou neutralizovány v redukčním katalyzátoru. Veškeré emise jsou oproti benzínu sníţeny o 99,9 %. Nevýhodou je vysoká výbušnost směsi vodíku se vzduchem a jeho finančně nákladná výroba. (Horčík 2006)

17 b) Palivové články Pohonnou jednotkou ve vozidle je elektromotor a elektřina pro něj je, na rozdíl od elektromobilů poháněných akumulátory, vyráběna přímo ve vozidle v palivových článcích. Elektřina vzniká exotermní elektrochemickou reakcí samotného vodíku (stlačeného nebo zkapalněného), nebo vodíku chemicky vyvinutého rovněţ v automobilu (např. ze zemního plynu, metanolu, benzínu apod.) s kyslíkem (ze vzduchu). Kromě elektřiny vzniká také voda nebo vodní pára. Nejedná se tedy o spalování paliva, nýbrţ o chemickou reakci - opak elektrolýzy. Vozidlo se vyznačuje podstatně vyšší účinností oproti konvenčnímu pohonu, nulovými emisemi a přebírá veškeré výhody elektromobilu. Navíc proti klasickým akumulátorům elektromotorů mají palivové články řadu výhod, především vyšší jízdní dojezd. Vyřazené palivové články nezatěţují ţivotní prostředí těţkými kovy jako klasické olověné akumulátory. Velkou nevýhodou je prozatím velmi drahá a sloţitá výroba jak palivových článků, tak i vodíku. V případě palivových článků se jedná o velmi perspektivní pohon a vodík se jeví jako nejvhodnější alternativa ke konvenčním palivům. Přestoţe se vývojem tohoto pohonu nyní zabývají všechny světové automobilky, s uvedením prvního sériového vozu se nepočítá dříve neţ v roce Potenciální výhody vodíku jako motorového paliva budou dosaţeny po dalším úspěšném technologickém vývoji zásobníků vodíku a technologie palivových článků a po nákladných investicích do výroby vodíku a jeho distribuce. (Horčík 2006)

18 4. ZEMNÍ PLYN 4.1 Vlastnosti zemního plynu Zemní plyn je směs plynných uhlovodíků a nehořlavých sloţek (především dusíku a oxidu uhličitého). Jeho charakteristickým znakem je vysoký obsah metanu. Zemní plyn neobsahuje jedovaté sloţky a je přibliţně dvakrát lehčí neţ vzduch. Těţí se ze země nebo z mořského dna, obvykle z mnohasetmetrových hloubek. Před dodáním do rozvodného systému je třeba ho upravit (sušit, zbavovat mechanických nečistot a neţádoucích příměsí apod.). Při jeho spalování se na rozdíl od jiných fosilních paliv uvolňuje do vzduchu mnohem méně škodlivin. Energie ze zemního plynu se hojně vyuţívá k topení, vaření, výrobě elektrické energie či pohonu motorových vozidel. Tab. 1 - Chemické složení zemního plynu (Rusko) Látka Chem. vzorec Podíl [%] Metan CH 4 98,4 Etan C 2 H 6 0,4 Propan C 3 H 8 0,2 Butan C 4 H 10 0,1 Kyslík O 2 0,006 Dusík N 2 0,81 Oxid uhličitý CO 2 0,1 Síra S 0,2 mg.m -3 Sloţení a vlastnosti zemního plynu se liší podle místa těţby. Rozeznáváme zemní plyn naftový (vyskytuje se v ropných loţiscích) a zemní plyn karbonský (vyskytuje se v loţiscích uhelných). Rozdíly jsou však i mezi naftovými plyny a karbonskými plyny navzájem. Největším dodavatelem do České republiky je Rusko, kde zemní plyn dlouhodobě obsahuje více neţ 98 % metanu. Po připojení na západoevropské sítě se významným dodavatelem zemního plynu stalo téţ Norsko, jehoţ plynovody mají obsah metanu 93 %

19 Tab. 2 - Vlastnosti zemního plynu (zdroj: RWE Transgas) Skupenství, barva, zápach plynné, bezbarvý, bez zápachu Teplota tání -182,5 ºC varu -161,6 ºC Meze horní 15 % výbušnosti dolní 4,4 % Hustota 0,7138 kg.m -3 při 0 ºC a 101,325 kpa Teplota vznícení 537 ºC Max. výbušný tlak 0,68 MPa Max. zápalná energie 0,28 MJ při 8,5 % obj. CH 4 ve vzduchu Max. spalovací rychlost 0,338 m.s -1 Spalné teplo 39,858 MJ.m -3 Výhřevné teplo 35,923 MJ.m -3 Adiabatická teplota spalování 2055 ºC Teoretická spotřeba vzduchu 9,52 m 3.m -3 Oktanové číslo v.m Zásoby a těţba zemního plynu Zásoby zemního plynu se odhadují na 511 tisíc mld. m 3 a mají ţivotnost aţ 200 let. Současná světová spotřeba je asi mld. m 3. Plyn tedy můţe postupně nahradit uhlí a ropu a stát se hlavním zdrojem energie 21. stol. Zásoby zemního plynu dělíme na prokázané, pravděpodobné a potenciální. Ověřené zásoby, které jsou ekonomicky těţitelné při současné technické úrovni, dosahují hodnoty 164 tisíc miliard m 3 a vydrţí při současné těţbě do roku Pravděpodobné zásoby jsou zásoby objevené na loţiscích, vykazujících velmi vysokou pravděpodobnost, ţe budou vytěţitelná za ekonomických a technických podmínek podobných těm, které jsou u prověřených zásob. Loţiska nejsou dosud technicky vybavena. Vedle kategorie prokázaných zásob můţeme s vysokou jistotou počítat s moţností vyuţití i pravděpodobných zásob a to zejména s vývojem těţební techniky a dalším geologickým průzkumem. Pravděpodobné zásoby dosahují výše mld. m 3. Potenciální zásoby jsou tzv. nekonvenční zdroje. Mezi tyto zdroje patří především hydráty metanu, coţ je pevná substance podobná sněhu, tvořená 20 % metanu a 80 % vody. Hydráty se nacházejí v zemské kůře pod dnem oceánů. Tyto velmi významné zásoby jsou jiţ dlouho známy, jejich problémem je však těţba. Zásoby zemního plynu v podobě hydrátů činí cca mld. m

20 Zemní plyn naftový je zpravidla uloţen v pórovitých horninách ohraničených nepropustnými vrstvami a vodou. Jeho těţba se provádí vrty vedenými přímo do pórovitých vrstev loţisek, která se nacházejí většinou v hloubce do 3 km pod povrchem země. Plyn se však těţí i z daleko větších hloubek aţ kolem 8 km. Zemní plyn se těţí jak z loţisek na pevnině (Rusko, Alţírsko, Nizozemsko), tak z loţisek, které se nacházejí pod mořským dnem (např. v Severním moři). Karbonský zemní plyn se vyskytuje hlavně u loţisek černého uhlí. Při těţbě uhlí se uvolňuje a je z bezpečnostních důvodů odsáván. Můţe být však těţen také přímými vrty. Po vytěţení je nutno plyn upravit a to na takovou kvalitu, aby ho bylo moţné bez dalších úprav komerčně vyuţívat. Technologie čištění je závislá na sloţení plynu. Zemní plyn se často těţí z loţisek společně s ropou, takţe obsahuje vysoké podíly vyšších uhlovodíků. Dále také obsahuje vodu a sirné látky, které mohou způsobovat korozi přepravního potrubí. Také se ze zemního plynu odstraňují pevné částice a prach, které mohou způsobovat zanesení kompresorových stanic. (RWE Transgas 2003) Přeprava a distribuce zemního plynu Přeprava je dnes nejnáročnějším článkem řetězce cesty od těţby zemního plynu aţ k distribuci k zákazníkovi a to zejména díky přepravním vzdálenostem. Upravený zemní plyn se přepravuje potrubím nebo také tankery a to ve zkapalněné formě nebo stlačené formě. Potrubí vyuţívá se hlavně pro přepravu plynu po pevnině, ale plynovodní potrubí můţe být uloţeno také na dně moře (do Evropy se takto dopravuje zemní plyn z nalezišť v Severním moři nebo Africe). Evropa má dnes uţ hustou síť plynového potrubí, které dosahuje průměru více neţ 1 m a tlaky 10 MPa. Česká republika má potrubní systém o délce 400 km a průměru 1400 mm. Tankery jsou vyuţívány pro přepravu přes moře na velké vzdálenosti - např. do Evropy je takto dodáván stlačený zemní plyn (CNG, PNG) a zkapalněný zemní plyn (LNG) z Alţírska, Nigérie nebo Austrálie. Zemní plyn se na pobřeţí stlačí nebo zkapalní a přečerpá do tankeru. V cílovém terminálu se přečerpá do zásobníků, postupně se odpařuje a dodává do plynovodních systémů

21 4.2 CNG CNG (Compressed Natural Gas) pod touto zkratkou rozumíme stlačený zemní plyn, který je ve speciálních vysokotlakových nádrţích skladován při tlaku MPa. Komprimací se zmenší objem přibliţně 200x a tím vzroste i původní výhřevnost 39,5 MJ.m -3 aţ na 7122,56 MJ.m -3. Na CNG je moţné provozovat po potřebné úpravě motory záţehové i vznětové Plnicí stanice Vozidla poháněná CNG je nutno plnit plynem u speciálních plnicích stanic, které jsou schopny stlačit zemní plyn na potřebný tlak a naplnit tak vysokotlaké nádrţe. Těchto stanic bylo v ČR v roce 2007 jen 22, z toho bylo 18 veřejných (Obr. 4). Plnicí stanice u nás provozují zatím jen plynárenské společnosti nebo soukromí autodopravci, zejména městské dopravní podniky. Obr. 4 - Plnicí stanice v České republice v roce 2007 (zdroj: RWE Transgas) Mnoţství odebraného CNG je vykazováno v kilogramech. 1 litr benzinu však odpovídá cca 1 m 3 CNG, neboť 1 kg zemního plynu má vyšší energetický obsah o 47 %

22 neţ 1 litr benzínu a o 38 % vyšší neţ 1 litr nafty. Energetická vydatnost 1 kilogramu zemního plynu odpovídá tedy asi 1,5 litru vysokooktanového benzinu, z čehoţ vyplývá, ţe ceny zemního plynu nelze přímo srovnávat s cenou za 1 litr benzinu nebo nafty. Příklad spotřeby CNG a benzínu u vybraných automobilů je uveden v tabulce č. 3. Tab. 3 - Spotřeba CNG a benzínu u vybraných automobilů Automobil Spotřeba zemního plynu Spotřeba benzínu kg/100 km l/100 km Fiat Multipla 1,6 Natural Power 6,3 9,0 VW Touran Eco Fuel CNG 5,8 8,1 Citroën Berlingo 1,4i 800 kg CNG 6,7 8,4 Iveco Daily CNG 9,8 11,5 Podle plnění dělíme plnicí stanice na rychloplnicí a pomaluplnicí: Rychloplnicí stanice na zemní plyn (Obr. 5) Doba plnění plynu je srovnatelná s čerpáním kapalných paliv, pohybuje se v rozmezí 3-5 minut. Kompresor plnicí stanice odebírá zemní plyn z plynovodní přípojky a po sušení (zbavení moţného kondenzátu a případných nečistot) ho stlačuje v několika kompresních stupních aţ na tlak 30 MPa. Komprimovaný zemní plyn je uskladněn ve vysokotlakých zásobnících. Pro lepší vyuţití zásobníků pro plnění vozidel jsou tyto zpravidla rozděleny do tří dílčích sekcí: vysoko-, středo- a nízkotlaká sekce. Plnění vozidel zemním plynem se provádí pomocí výdejního stojanu. Moderní stojany jsou dnes většinou samoobsluţné, s karetním nebo čipovým systémem registrace a platby. Plnicí konektor hadice výdejního stojanu se připojí pomocí rychloupínacího systému na plnicí ventil vozidla a stlačený zemní plyn je přepouštěn do plynových tlakových nádob ve vozidle. Moderní výdejní stojan je vybaven hmotnostním měřením průtoku plynu, měřením teploty a tlaku a pomocí elektronického řízení zajišťuje plnění tlakových nádrţí ve vozidle na stanovený provozní tlak MPa. (RWE Transgas 2003)

23 Obr. 5 - Schéma rychloplnicí stanice Pomaluplnicí stanice (Obr. 6) Plnění vozidel zemním plynem se provádí přímo pomocí kompresoru. Plnění probíhá zpravidla několik hodin v době, kdy vozidlo není v provozu v nočních hodinách nebo v přestávkách jízdy. Hlavní částí je tedy kompresor zemního plynu, který zároveň ale nezahrnuje zásobník plynu. Zařízení je limitováno maximálním výkonem 20 m 3 /hod, maximálním plnicím tlakem 26 MPa a maximální skladovací kapacitou plynu 0,5 m 3. Tyto plničky se oficiálně nazývají VRA (Vehicle Refuelling Appliance (zařízení/přístroj/pro plnění vozidel), často je také pouţíván název FuelMaker nebo li domácí plnička plynu. Jejich hlavními výhodami jsou: instalace jednoduchá zařízení k plnění lze instalovat všude, kde je zaveden plyn a elektřina; snadná obsluha (plně automatizovaný provoz) plnění se spustí tlačítkem START a po naplnění vozidla se zařízení automaticky vypne; ekonomika cena závisí na cenách plynu v místě plničky, nezávislost na infrastruktuře veřejných stanic zemního plynu; bezpečnost, nízká hlučnost. Nevýhodou je především pořizovací cena. Pomaluplnicí zařízení jsou vhodná především pro osobní a lehké nákladní automobily, které parkují na stálém místě a nejezdí nepřetrţitě. V Kanadě a USA jsou vyuţívána i pro některá speciální vozidla

24 vysokozdviţné vozíky nebo rolby ledu na zimních stadionech. Jedna malá čerpací stanice plynu umoţňuje běţně plnit 1 aţ 2 vozidla, v případě optimálního harmonogramu plnění i 4 aţ 6. Tato alternativa plnění je vhodná spíše pro firmy s velkým vozovým parkem, např. vozidla pošty, zásobovací firmy, plynárenské společnosti, které mohou pouţívat ve svých areálech aţ desítky malých čerpacích stanic na zemní plyn nebo také pro podnikatele, kteří uvaţují o přechodu na pohon zemním plyn. (RWE Transgas 2003) 4.3 LNG Obr. 6 - Schéma pomaluplnicí stanice LNG (Liquefied Natural Gas) je zkapalněný zemní plyn, který je zchlazen na teplotu -160 aţ -162 ºC při atmosférickém tlaku a má zhruba 600x menší objem neţ zemní plyn. Zkapalněný zemní plyn je studená, namodralá, průzračná kapalina bez zápachu, nekorozívní, netoxická, s malou viskozitou. Jeho fyzikální vlastnosti závisí na sloţení, obsahuje % metanu a zbytky etanu, propanu, vyšších uhlovodíků, dusíku, vody a síry. (Vlk 2004)

25 Tab. 4 - Vlastnosti LNG Parametr Hodnota Jednotka Hustota 0,4 0,42 kg.m -3 při 0 ºC a 101,325 kpa Výhřevnost 1kg LNG 54,8 MJ.kg -1 Zápalná teplota 540 ºC Měrná hmotnost při bodu varu 415 kg.m -3 Plynová konstanta 518,8 J.kg -1.K -1 Stechiometrický poměr vzduchu 17,2 kg.kg -1 Oktanové číslo Na LNG dnes ve světě jezdí přibliţně několik tisíc vozidel, nejvíce v USA a Kanadě pro dálkovou autobusovou a nákladní přepravu. Zajímavé je také vyuţití pro chladírenské automobily, kde má LNG dvojí vyuţití: jako palivo a zároveň chladicí kapalina. Při úniku paliva je LNG méně nebezpečný neţ LPG, rozlije se po zemi a okamţitě se vypařuje. Nezpůsobuje znečištění půdy ani vod. Pouze při vyšší koncentraci LNG ve vzduchu (5 15 %) můţe dojít ke vznícení. V ČR zatím nejsou dány ţádné předpisy upravující provoz vozidel na LNG, stání, jízdu, parkování, plnění nádrţí, údrţbu a opravy. Výhody LNG: - větší dojezd vozidla na LNG oproti CNG (jedna z hlavních nevýhod CNG), na srovnatelnou úroveň s klasickými pohonnými hmotami; - vysoce čisté palivo s minimem škodlivých emisí (díky zkapalnění můţe být LNG zbaven většiny uhlovodíků); - nepříliš těţká palivová nádrţ; - doba plnění srovnatelná s klasickými palivy; - bezpečnější provoz (vyšší zápalná teplota LNG oproti benzínu); - vysoce čisté palivo s minimem škodlivých emisí; - oproti CNG zmenšení objemu palivových nádrţí a tím zvětšení úloţného prostoru ve vozidle. Nevýhody LNG: - uchovávání za velmi nízkých teplot; - odpar z nádrţe při delší odstávce vozidla;

26 - sloţitější a nákladnější technologie v porovnání s CNG; - jiná technologie plnění vozidel a nová rizika při tankování. Plnicí stanice Plnicí stanice jsou velmi podobné plnicím stanicím LPG s tím rozdílem, ţe plyn je přepravován a skladován v kryogenních nádrţích při velmi nízkých teplotách -160 aţ -170 C. Tomu odpovídá také pouţitá technologie, kdy se k chlazení zásobníků LNG pouţívá kapalný dusík. Tím odpadají problémy s odparem plynu a jeho uchováváním ve stlačeném stavu. Plnící stanice jsou označovány jako LCNG plnící stanice (Liquefied Compressed Natural Gas) pro stlačený zemní plyn ze zkapalněného zemního plynu Nevyţadují plynovou přípojku a jsou energeticky méně náročné neţ CNG stanice. Musejí však být pravidelně zásobovány zkapalněným zemním plynem pomocí silničních přepravních cisteren, coţ poněkud zvyšuje celkové riziko provozu. LNG je přechováván v kryogenních nádobách, které jsou podchlazeny. Plyn je pomocí čerpadla dopravován pod vysokým tlakem do výparníku, odkud v plynném stavu plní tlakový zásobník a z toho jiţ přes tankovací pistoli do nádrţí vozidla. (RWE Transgas 2003) 4.4 Výhody pohonu na zemní plyn Ekonomická výhodnost Zemní plyn má velký potenciál pro vyuţití jako motorové palivo. Perspektiva plynu plyne také z jeho velkých zásob, které jsou mnohem vyšší neţ u ropných paliv (benzínu, naftě, propan butanu). Ceny ropných paliv i do budoucna zatím jasně hovoří pro plyn. Ekonomické výhody pohonu na zemní plyn jsou: niţší náklady na pohonné hmoty, levnější provoz vozidla; úspora proti benzínu aţ 50 %, oproti naftě aţ 35 %; výhody zejména u firemní přepravy osob, rychlost návratnosti investice do CNG se zvyšuje s počtem ujetých kilometrů; nulová sazba spotřební daně od do ; Cenové srovnání: Aktuální ceny CNG od (zdroj: RWE Transgas): 20,90 Kč/m 3 ; 14,93 Kč/kg

27 Cena benzinu k (zdroj:ccs): Benzín Natural 95 30,53 Kč/l; Nafta 30,68 Kč/l. Ekologické výhody Ekologické výhody pohonu na zemní plyn vyplývají z jeho sloţení. Především je to dáno poměrem atomů uhlíku a vodíku v molekule. Zemní plyn je tvořen z cca 98 % metanem CH 4 s příznivým poměrem uhlík/vodík = 1/4. Podíl emisí ve výfukových plynech je tedy ve srovnání s klasickými palivy výrazně niţší, a to zejména u dnes měřitelných oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, pevných částic, ale také karcinogenních látek polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, aromátů včetně benzenu. Niţší je také obsah oxidu uhličitého CO 2 aţ o 20 %, čímţ se sniţuje vliv plynových motorů na skleníkový efekt. Problematický se můţe zdát u některých přestavěných naftových motorů vyšší obsah nespáleného metanu, který se však povaţuje za relativně zdravotně nezávadný. Jeho sníţení je moţné konstrukcí oxidačního katalyzátoru. Motory na CNG dnes uţ také bez problémů a s rezervou splňují normy EURO IV a V. Další ekologické výhody plynových motorů: spaliny z motorů na zemní plyn neobsahují oxid siřičitý (SO 2 ); sníţení emisí pevných částic PM (Particulate Matters), kterým jsou přisuzovány mutagenní a karcinogenní účinky; sníţení kouřivosti u naftových motorů s plynovým pohonem; eliminace dalších emisí oxidu dusíku NO x a oxidu uhelnatého CO; sníţení emisí CO 2 a tím vlivu na skleníkový efekt; výrazné sníţení aromatických a polyaromatických uhlovodíků (PAU), aldehydů; do zemního plynu se nepřidávají aditiva a karcinogenní látky; při tankování nevznikají ţádné ztráty paliva (např. odpařování nafty); zemní plyn je přepravován jiţ vybudovanými plynovody, jeho pouţíváním se sniţuje počet nákladních cisteren s kapalnými pohonnými hmotami na silnicích a tím jejich zatěţování ţivotního prostředí; nehrozí kontaminace půdy v důsledku úniků. (Hlavňa a kol. 2003)

28 Vyšší bezpečnost Vozidla na zemní plyn je moţno označit za bezpečnější neţ vozy na benzín, naftu, či LPG. Vysoká bezpečnost vyplývá z fyzikálních vlastností zemního plynu a způsobu uskladnění v tlakových lahvích. Kaţdý tlaková láhev má vlastní magnetický ventil, který okamţitě přeruší dodávku plynu k motoru, jakmile jeho obrátky poklesnou pod minimální startovací otáčky. V případě nehody potom speciální mechanické ventily přeruší dodávku paliva k motoru. Pro případ poţáru jsou zásobníky plynu vybavené ochrannou pojistkou, která zaručí řízenou expanzi plynu v okamţiku, kdy teplota přesáhne povolenou hranici. Celá palivová soustava prochází řadou přísných zkoušek a následně pravidelných periodických kontrol celé plynové soustavy (spojené s pravidelnou prohlídkou vozu). Pro jeho vyuţití hovoří také dlouholeté pouţívání plynu jako paliva, a to uţ od poloviny 19. stol. Další bezpečnostní výhody: zemní plyn má vyšší zápalnou teplotu, oproti benzinu téměř dvojnásobnou; je lehčí neţ vzduch (oproti benzínu, naftě, LPG, které jsou těţší neţ vzduch); povoleno parkování v podzemních garáţích; silnostěnné tlakové nádoby na zemní plyn, vyráběné z oceli, hliníku nebo kompozitu, jsou bezpečnější neţ tenkostěnné nádrţe na kapalné pohonné hmoty. Tyto nádrţe procházejí řadou zkoušek, zejména se zkouší odolnost proti nárazu, poţáru a zvýšení tlaku. Ve vozidle jsou tlakové nádoby navíc vybaveny řadou pojistek; při tankování nemůţe dojít ke znečištění, popřípadě proniknutí paliva do země. Provozní výhody vyšší oktanové číslo zemního plynu a tím i vyšší odolnost vůči klepání motoru; moţnost zvýšit termickou účinnost motoru; lepší směšování plynu se vzduchem, díky čemuţ je směs rovnoměrná, motor je schopen pracovat s vyšším součinitelem přebytku vzduchu λ, probíhá rovnoměrnější plnění válců a menší zatěţování motoru; plynové motory mají tišší chod; směs plyn vzduch má širokou hranici zápalnosti, coţ umoţňuje spalovat chudou směs a zlepšuje start motoru při nízkých teplotách;

29 díky čistotě paliva se prodluţuje ţivotnost motorového oleje i samotného motoru, nevytvářejí se karbonové usazeniny, do budoucna moţnost prodlouţení intervalů výměny oleje; u dvoupalivových systémů je zachována moţnost pohonu na benzín, čímţ se zvyšuje i akční rádius vozidla aţ na dvojnásobek; nemoţnost zcizení pohonné hmoty. (Hlavňa a kol. 2003) 4.5 Nevýhody zemního plynu Vyšší náklady Niţší cena plynu nemusí vţdy vyváţit dodatečné finanční náklady na přestavbu nebo pořízení sériového vozu na plyn. Tento fakt je nepříznivý zejména u vozidel s nízkým počtem najetých kilometrů. Hlavní ekonomické nevýhody tedy jsou: vysoká cena za přestavbu vozidla na CNG pohon; i pořizovací cena sériového vozu s plynovým pohonem je mnohem vyšší oproti vozům s pohonem na běţná kapalná paliva (menší počty kusů, individuelní výroba); Jako příklad je moţno uvést cenu testovaného vozu OPEL Combo Tour 1.6 CNG ECOTEC (69 kw) v základní výbavě Essentia, jehoţ cena je Kč. Tentýţ model s benzínovým motorem 1.4 TWINSPORT ECOTEC s výkonem 66 kw stojí v základní výbavě Kč, coţ je o nezanedbatelných Kč méně. (zdroj:opel); vyšší náklady na plnicí stanice, na díly plynových zástaveb. S masovějším rozšířením plynu lze ale očekávat postupné sniţování cen za vozidla i přestavby. Nedostatečná infrastruktura Hlavním problémem je zatím nedostatečný počet plnicích stanic, které svým počtem nemohou konkurovat zavedeným čerpacím stanicím a zatím brání širšímu rozšíření zemního plynu v dopravě. I infrastruktura LPG stanic je jiţ dostatečná a dosahuje čísla asi 500 oproti 18 CNG plnicím stanicím. Tímto problémem však trpí kaţdé alternativní palivo, které se snaţí konkurovat tradičním pohonným hmotám

30 Provozní nevýhody menší dojezd CNG vozidel oproti klasickým palivům (osobní automobily dodatečně upravené na provoz na zemní plyn cca km); zmenšení zavazadlového prostoru nebo uţitného prostoru o prostor pro nádrţ v případě umístění nádrţe do tohoto prostoru (moţnost umístit nádrţ do jiných prostor, např. na střechu autobusu nebo místo náhradního kola); zvýšení nároků na izolaci nádrţe; zvýšení celkové hmotnosti automobilu a tím sníţení povolené uţitečné hmotnosti v důsledku instalace tlakové nádrţe na plyn řeší se konstrukcí nádrţí z kompozitu, která je aţ 5x lehčí neţ nádrţ z oceli; zpřísněná bezpečnostní opatření na garáţování a opravy; nutnost pravidelných kontrol plynových zástaveb. (Vlk 2004) Podpora CNG Problémem u dosavadních alternativních paliv je zatím nezájem veřejnosti. Je to dáno také nízkou podporou ze strany státu, informovanosti lidí, netečnosti ke stavu ţivotního prostředí, ale také prodejními strategiemi výrobců, kteří reagují na trţní poptávku. Ta je v ČR zatím velmi nízká, od čehoţ se odvíjí i nedostatečná nabídka sériových CNG vozů. Rovněţ na vývoj technologií současných palivových systémů je vynakládáno mnohem více prostředků neţ na vývoj alternativních technologií

31 5. KONSTRUKCE AUTOMOBILU S CNG POHONEM Automobily s pohonem na zemní plyn můţeme rozdělit podle několika kritérií: a) Podle typu přestavby: Sériová výroba přestavba provedená automobilkou přímo v závodě, jedná se běţný sériový vůz se všemi homologacemi, z technického hlediska je to nejlepší řešení. V ČR tyto vozy prodává např. FIAT (Dobló 1.6 Natural Power), Volkswagen (Caddy, Touran), OPEL (Zafira 1.6 CNG, Combo 1.6 CNG). Dodatečná přestavba (individuální) kaţdé vozidlo přestavěné individuálně musí projít kontrolou plynové zástavby a splnění emisních limitů v uznané státní zkušebně. Typové hromadné přestavby automobil lze přestavět na základě povolení k hromadným přestavbám dle příslušného typu vozidla, provádí ji specializované firmy nebo výrobci (např. TEDOM Třebíč autobusy pro MHD). Povolení vydává Ministerstvo dopravy a spojů. (Vlk 2004) b) Podle palivové soustavy: Jednopalivová (mono - fuel) pohon pouze na plyn. Dvoupalivová (bi - fuel) moţnost přepnutí mezi konvenčním a plynným palivem. Smíšená (dual - fuel) vyuţívá společně konvenční i plynné palivo. c) Podle koncepce vozidla (zejména u osobních vozidel): Koncepce monovalent vozidlo je poháněno pouze na plyn, nemá nádrţ na klasické konvenční palivo. Výhodou je sníţení emisí, motor spaluje pouze plyn, vozidlo se však vyznačuje nízkým akčním rádiem. Koncepce monovalentplus pohon výlučně na CNG, automobil má malou nádrţ na benzín, max. do 15 l, která slouţí ke zvýšení jízdního dojezdu. Motor je optimalizovaný pro pohon na zemní plyn a nádrţe má automobil uloţeny v podpodlaţním prostoru

32 Koncepce bivalent pohon na CNG i benzín, automobil má klasickou nádrţ na benzín (s obsahem větším neţ 15 l) a tlakové nádrţe na CNG, čímţ se však velmi zvyšuje jeho hmotnost. (Wöber 2008) 5.1 Palivové soustavy CNG automobilů Systém dual fuel Vozidla s palivovým systémem dual fuel mají dva samostatné palivové systémy, včetně oddělených nádrţí. Většinou se vyuţívá u naftových motorů, u nichţ je směs plynu a vzduchu zapalována malým mnoţstvím vstříknuté nafty (asi 30 %), která se kompresním teplem vznítí. Tyto motory mohou pracovat jak na zemní plyn, tak i pouze na naftu. Zachováván zůstává původní stupeň komprese. V praxi mají tyto motory vyšší spotřebu (o %), ale příznivější emise neţ motory dieselové. V principu mohou tyto motory pracovat ve dvou variantách: a) S minimální dávkou nafty kdy motor spaluje směs s vysokým obsahem plynu, dávka nafty tvoří asi % maximální dávky vznětového motoru. Tato varianta motoru se vyznačuje vysokou odolností proti klepání. Je však třeba upravit vstřikovací soustavu pro zajištění přesnosti odměřování malé dávky paliva (elementy vstřikovacího čerpadla) a upravit vstřikovací trysky. Tryska je více namáhána neţ u klasického dieselového motoru, proto se někdy pouţívají vstřikovače chlazené vodou. b) Se zvýšenou dávkou nafty dávka nafty je zvýšena například aţ na 70 % maxima původního vznětového motoru. Pouţívá se u plynů s niţším oktanovým číslem (propan butan), kde je nutno sníţit detonace spalováním směsi s vysokým součinitelem přebytku vzduchu λ a pro dosaţení výkonu srovnatelného s původní vznětovou verzí. Vstřikovací elementy se jiţ nijak dále neupravují, je třeba jen montáţe součástí pro plynový pohon. Technika tohoto typu motoru je velmi sloţitá a jeho výroba nákladná, vyuţívá se spíše u těţkých nákladních vozidel a autobusů. (Kameš 2004) Systém mono fuel Vozidla s tímto palivovým systémem jsou poháněna pouze zemním plynem. Nejrozšířenějšími vozidly s touto palivovou soustavou jsou v České republice městské autobusy. V dnešní době se jiţ ustupuje od přestaveb, mnohem ekonomičtější a

33 výhodnější je přímo konstrukce automobilu s pohonem a motorem, vyvinutým pouze ke spalování plynu. Motor je tak optimalizován pro směšování plynné směsi ve spalovacím prostoru a dosahuje vysokého výkonu. Přizpůsobením konstrukce vozidla lze dosáhnout efektivní umístění a tvaru nádrţí na zemní plyn, v autobusech jsou instalovány na střechu nebo pod podlahou. Městský autobus Iveco Citelis CNG je vybaven osmi tlakovými lahvemi, umístěnými na střeše, z lehčených kompozitních materiálů o celkovém objemu 1240 litrů. Pohon na zemní plyn tedy není na úkor zhoršení jízdního komfortu ani sníţení kapacity, naopak motor má niţší hladinu provozního hluku a jedná se o ekologický autobus s nízkými emisemi NO x, CO a bez produkce pevných částic. Výhodné provozní náklady kompenzují vyšší pořizovací cenu vozidla s pohonem na CNG a v celkovém vyjádření zajišťují také dobrou ekonomiku provozu. Významnými českými výrobci těchto autobusů jsou TEDOM Třebíč, EKOBUS Česká Lípa a v neposlední řadě také Iveco Czech Republic. Systém bi fuel Tohoto systému vyuţívá dnes většina osobních a dodávkových automobilů, protoţe se zvyšuje jízdní dojezd automobilu. Hlavní důvodem je zatím nedostatečná infrastruktura plnících stanic. Při nedostatku plynného paliva se pouze tlačítkem umístěným u řidiče přepne pohon na konvenční palivo. Vozidlo je vybaveno dvěma palivovými systémy, přičemţ v daném okamţiku vyuţívá pouze jeden z nich. Většinou se jedná o přestavby záţehových motorů a sériová vozidla vyrobená automobilkami, která do vozidel montují ještě menší nádrţe na benzín (koncepce monovalentplus). Motor, spalujícího dvě rozdílná paliva, není schopen dosáhnout parametrů klasického motoru bez potřebných úprav. Stupeň komprese je nutno přizpůsobit antidetonační odolnosti benzínu a obvykle i předstih záţehu se optimalizuje pro palivo kapalné. Továrně upravené vozy mají motory se sekvenčním vstřikováním, vyuţívající efektivní spalování zemního plynu i benzínu agregát má dvě řady vstřikovačů se separátními vstřikovacími tryskami pro zemní plyn a pro benzín. Předností tohoto řešení je, ţe v kaţdém reţimu a při spalování kteréhokoli paliva pracuje motor maximálně efektivně a má i nejčistší spaliny. Přestavená vozidla ještě často vyuţívají centrálního směšování plynu se vzduchem pomocí směšovače a společného sacího potrubí pro všechny válce. Tento systém je ale nevýhodný z hlediska vyšší spotřeby a emisí

34 5.2 Komponenty systému CNG Plnicí ventil - slouţí k plnění tlakové nádoby vozidla zemním plynem na CNG plnicích stanicích. Plnicí ventil můţe být umístěn v motorovém prostoru (většinou u přestavovaných automobilů), u čerpacího otvoru klasických paliv nebo samostatně. U plnicích stanic v ČR se vyuţívá typ NGV 1. Plnění je velmi jednoduché jako u kapalných paliv, po naplnění nádrţe se plnění automaticky vypne. Doba potřebná k natankování se liší podle plnicích stanic, u rychloplnicích je to okolo 2 minut u osobních automobilů. Tlaková nádoba - slouţí jako palivová nádrţ pro zemní plym. Vyrabí se z oceli, stále více se však vyuţívají odlehčené tlakové nádoby z lehkých hliníkových nebo kompozitních materiálů, stejně pevných jako ocel, ale váţících aţ 3x méně. Palivová nádrţ zemního plynu má zpravidla objem l. Jejich počet můţe být různý, od jedné velké aţ po několik menších, podle konstrukce a uloţení ve vozidle. Je osazena armaturami pro bezpečný a spolehlivý provoz a multiventilem. Rozměrné a těţké nádrţe jsou velkou nevýhodou vozidel s plynovým pohonem. U sériových vozidel jsou umístěny většinou pod vozidlem (Obr. 7), místo rezervního kola nebo v jiných vhodných místech. U přestavovaných automobilů pak v zavazadlovém nebo nákladovém prostoru, u autobusů mohou být umístěny na střeše. Obr. 7 - Umístění nádrží pod vozidlem (Opel Zafira 1,6 CNG) Multiventil - magnetickým ventilem (Obr. 8) je osazena tlaková nádoba a v podstatě zastává 2 funkce: provozní uzavírá tlakovou nádobu při vypnutém zapalování, řídí odebírání plynu z nádoby, při prázdné plynové nádrţi zajišťuje automatické přepnutí pohonu na kapalné palivo;

35 bezpečnostní v případě poruchy potrubí (poklesu tlaku) nebo havárie automaticky přeruší průtok plynu a vypustí plyn při daném přetlaku. Tepelná pojistka řídí kontrolované vyhoření plynu při poţáru. Obr. 8 - Magnetický multiventil; 1 Elektronické odpojení (magnetický ventil), 2 pojistná membrána, 3 manuální odpojení, 4 tavná pojistka, 5 integrovaný zpětný ventil Propojovací plynové potrubí - při plnění přivádí zemní plyn z plnícího ventilu do tlakové nádoby, při plynovém provozu přivádí zemní plyn z tlakové nádoby do regulátoru. Manometr - ukazuje hodnotu tlaku ve vysokotlaké části plynové zástavby (v tlakové nádobě, propojovacím plynovém potrubí). Regulátor tlaku plynu (Obr. 9) - slouţí k redukci vysokého tlaku z tlakové nádoby do sání motoru. Jeho součástí je rovněţ uzavírací ventil. Regulátor je umístěn v motorovém prostoru a je napojen na vnitřní chladicí okruh motoru přes vlastní termostat. Obr. 9 - Modul regulátoru tlaku plynu Vozidla s centrálním směšováním plynu: Krokový motorek - na základě signálů z řídící jednotky průběţně upravuje mnoţství plynu do přiváděného do směšovače v optimálním reţimu výkonu, spotřeby paliva a mnoţství emisí

36 Směšovač - slouţí ke smísení paliva zemního plynu se vzduchem a vytvoření zápalné plynné směsi. Má stejnou funkci jako karburátor nebo vstřikování při pouţití benzínu. Vozidla se sekvenčním vstřikováním: Palivová lišta (Rail) - palivová lišta pro zemní plyn (Natural Gas Rail BOSCH, Obr. 10) je konstruována z ušlechtilé oceli, v robustním a kompaktním provedení zároveň, vhodná pro vysoké vstřikovací tlaky. Je součástí vstřikovačů a přivádí zemní plyn od regulátoru tlaku k jednotlivým vstřikovačům. Obr Palivová lišta BOSCH pro CNG motory Vstřikovače - vstřikovače vstřikují plyn do sacího potrubí jednotlivých válců. Pracují sekvenčně, tzn., ţe vstřikují zemní plyn pro kaţdý válec zvlášť. Moderní vstřikovače mají speciální konstrukci a jsou uzpůsobeny pro vstřikování plynu. Vstřikovač BOSCH NGI2 (Obr. 11) má vstřikovací trysky přizpůsobeny velkému objemu plynu a vyšší průtokové rychlosti. Speciální vedení proudění redukuje ztráty tlaku a sniţuje provozní hluk. Také je moţné ho bez problémů integrovat do sacího potrubí záţehového motoru. Obr Vstřikovač BOSCH NGI2-36 -

37 Řídící jednotka - slouţí k správnému provozu vozidla na zemní plyn, spolupracuje s benzínovou řídící jednotkou a řídí dávkování plynu dle jízdních reţimů a signálů motoru. Dvěma řídícími jednotkami pro plynovou aparaturu a pro benzinovou zvlášť jsou vybavena přestavená vozidla. Sériová vozidla nové koncepce mají často jen jednu řídící jednotku pro oba palivové systémy. Řídící jednotka BOSCH NG Motronic (Obr 12) určená pro záţehové motory umoţňuje jednoduchou integraci pro řízení motoru s pohonem na CNG i s jeho specifickými vlastnostmi při vyuţití palivového systému bi - fuel. Integrace řízení vstřikování do jedné řídící jednotky přináší řadu výhod jako úsporu kabelů, úspora ceny za druhou řídící jednotku a optimalizace potenciálu pro jeden společný komplexní systém řídící jednotky. Také odpadá momentový skok při přepnutí paliva z plynového pohonu na benzínový a naopak. Obr Řídící jednotka BOSCH NG - Motronic Přepínač plyn/benzín - je umístěn u přístrojové desky, u sériových vozidel je její součástí. Přepnutím z benzínu na plyn se přerušuje přívod benzínu, otevírá přívod plynu z regulátoru a zapíná se regulace plynu v závislosti na údajích lambda sondy. Z reţimu CNG na benzín přejde motor automaticky také v případě vyčerpání zásoby stlačeného zemního plynu. Stav provozu (CNG/benzín) je indikován kontrolkou. Duální palivoměr - ukazuje vţdy stav paliva, které je v provozu. Je umístěn v zorném poli řidiče. Katalyzátor s lambda sondou - lambda sonda analyzuje sloţení výfukových plynů, na základě jejích údajů elektronická jednotka řídí dávkování a sloţení směsi paliva a vzduchu

38 6. EMISE ZÁŢEHOVÉHO MOTORU 6.1 Proces spalování záţehového motoru Palivo pro záţehové motory se skládá ze sloučenin uhlovodíků a přísad organických komponentů a aditiv, které zlepšují vlastnost paliva. Při spalování dochází k rozdělení uhlovodíků na uhlík a vodík a jejich následnému sloučení s kyslíkem z nasávaného vzduchu. Poměr kyslíku je asi 21 %. Při ideálním spalování je se vzduchem smícháno přesně potřebné mnoţství paliva tak, aby došlo k jeho oxidaci kyslíkem, který je obsaţen v nasávaném vzduchu. Při ideálním spalování by potom nevznikly ţádné škodlivé látky, nýbrţ jen oxid uhličitý a vodní páry. V reálném procesu spalování však kromě neškodlivých látek (dusíku N 2, vodní páry H 2 O a oxidu uhličitého CO 2 ) vznikají ještě produkty neúplného spalování (oxid uhelnatý CO, částečně nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NO x, oxid siřičitý SO 2 a saze). Škodlivé látky tvoří asi 1 % výfukových plynů. Podíl jednotlivých škodlivin ve výfukových plynech je silně ovlivněn směšovacím poměrem paliva a vzduchu, charakterizovaný součinitelem přebytku vzduchu λ. Stechiometrický směšovací poměr vyjadřuje poměr paliva a vzduchu, který potřebuje záţehový spalovací motor ke svému provozu. Ideální teoretické spalování probíhá při hmotnostním poměru vzduchu a paliva 14,7:1, ten je označován jako stechiometrický směšovací poměr paliva. Při různých provozních podmínkách se provádí korekce směšovacího poměru. Po přepočtu stechiometrického poměru hmotnostního na objemový dostaneme hodnotu potřebnou ke spálení 1 litru paliva, která činí asi litrů vzduchu (10 m 3 ). Součinitel přebytku vzduchu λ určuje odchylku skutečného poměru vzduchu paliva od ideálního teoretického poměru (14,7:1). Lambda je bezrozměrné číslo, charakterizuje sloţení směsi a je dáno poměrem přivedené hmoty vzduchu k teoreticky potřebné hmotě vzduchu pro stechiometrické spalování směsi: - λ = 1: přiváděná hmota vzduchu odpovídá teoretické spotřebě; - λ < 1: bohatá směs s přebytkem paliva, při maximálním výkonu se λ rovná přibliţně 0,85 0,95; - λ > 1: chudá směs s přebytkem vzduchu. λ = 1,05 1,3 charakterizuje sníţenou spotřebu paliva a niţší výkon;

39 - λ > 1,3: směs jiţ není schopná zapálení, dochází ke značně neklidnému chodu motoru s vynecháním zápalů. Pro výpočet hodnoty součinitele přebytku vzduchu λ se pouţívá Brettschneiderův vzorec. Je potřeba však znát obsah čtyř sloţek emisí výfukových plynů CO 2, CO, HC a O 2. Výpočet hodnoty λ pomocí Brettschneiderova vzorce: Obr Složení emisí v závislosti na λ Při nedostatku vzduchu 5 10 % (λ = 0,95 0,90) dosahují záţehové motory největších výkonů. Palivo však není dokonale vyuţito a měrná (specifická) spotřeba paliva se zvyšuje. Ve výfukových plynech se rovněţ zvyšují podíly škodlivého oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Při přebytku vzduchu (λ = 1,05 1,1) dosahují benzinové motory nejniţší spotřeby paliva, výkon motoru je však niţší a motor dosahuje vyšších teplot, vzhledem k menší potřebě tepla pro odpařování paliva. Podíly oxidu uhelnatého jsou nízké, avšak obsah oxidu dusíku ve výfukových plynech je velmi vysoký

40 6.2 Sledované škodlivé parametry výfukových plynů Oxid uhelnatý CO Oxid uhelnatý je bezbarvý jedovatý plyn, který je bez zápachu. V krvi se váţe na hemoglobin lépe neţ kyslík a uţ malé mnoţství můţe být při delším vdechování smrtelné. Je těţší neţ vzduch a shromaţďuje se dole u podlahy, coţ je velmi nebezpečné v montáţních jámách. Vzniká především při bohaté směsi (λ < 1), při nedokonalém spalování paliva v důsledku nedostatku vzduchu. Podíl oxidu uhelnatého ve výfukových plynech je tím vyšší, čím bohatší je směs paliva a vzduchu. CO vzniká i při přebytku vzduchu (chudé směsi), ale v mnohem menší míře. Příčinou je nedokonalé mísení paliva a vzduchu ve válci, tzn. existence míst s bohatou směsí. (Gscheidle a kol. 2002) Nespálené uhlovodíky HC Skládají se z velkého mnoţství různých sloučenin uhlíku a vodíku, některé uhlovodíky jsou karcinogenní. Jsou příčinou nepříjemného zápachu výfukových plynů. Za nepříznivých povětrnostních podmínek jsou ve spojení s oxidy dusíku příčinou tvorby smogu. Stejně jako u emisí CO stoupá hodnota HC v oblasti bohaté směsi s klesající hodnotou λ (Obr. 13). Důvodem je přebytek paliva a neúplné spalování a tím i zvýšená hodnota emisí nespálených a částečně spálených uhlovodíků. Minimum hodnoty HC leţí v oblasti λ = 1,1 aţ 1,2. Na rozdíl od CO však s rostoucí hodnotou λ obsah HC vlivem nedokonalého spalování dále stoupá. Výrazné zvýšení hodnoty HC nastává především vlivem vynechávání zapalování. Kromě tohoto faktoru má na hodnotu HC významný vliv celkový stav motoru a jeho seřízení. Mechanická poškození a špatné seřízení bývá příčinou vysoké hodnoty HC. Objemový obsah HC ve výfukových plynech je podstatně niţší neţ u CO. Jeho hodnota se udává v jednotkách ppm (parts per milion). (Gscheidle a kol. 2002) Oxidy dusíku NO x Oxid dusnatý NO je bezbarvý plyn, který na vzduchu oxiduje na NO 2, coţ je hnědočervený plyn se silným zápachem. Dráţdí plíce a pokoţku, leptá tkáň, je silně jedovatý a podílí se na tvorbě smogu. Vysoká teplota a tlak ve spalovacím prostoru vedou k oxidaci dusíku obsaţeného v nasávaném vzduchu. Kromě oxidu dusnatého (NO) vznikají v malých mnoţstvích také oxid dusičitý (NO 2 ) a oxid dusný (N 2 O)

41 Závislost emisí oxidu dusíku na hodnotě součinitele přebytku vzduchu je přesně opačná neţ u CO a HC. V oblasti přebytku paliva stoupá se stoupající hodnotou λ i hodnota emisí oxidů dusíku a to především díky zvyšující se koncentraci kyslíku. V oblasti chudé směsi emise oxidu dusíku klesají se zvyšující se hodnotou λ protoţe s chudší směsí klesá teplota ve spalovacím prostoru a tím se omezují podmínky pro vznik NO x. Maximum NO x leţí v oblasti lehkého přebytku vzduchu s hodnotou λ = 1,05 aţ 1,1. (Gscheidle a kol. 2002) Oxid uhličitý CO 2 Oxid uhličitý je nejedovatý produkt spalování. Při stechiometrickém směšovacím poměru je hodnota CO 2 maximální a dosahuje hodnoty cca. 14,7 %. To odpovídá dokonalému spalování. Hodnota CO 2 slouţí společně s CO a HC k posouzení funkčnosti katalyzátoru. Oxid uhličitý vzniká rovněţ oxidačními procesy v katalyzátoru, při kterých redukuje obsah škodlivých sloţek výfukových plynů. V případě správné funkce katalyzátoru můţe být hodnota CO 2 dokonce ještě vyšší neţ při dokonalém spalování. Nárůst obsahu oxidu uhličitého v atmosféře je jednou z významných příčin skleníkového efektu. Tento nárůst je způsoben spalováním fosilních paliv, průmyslem, ničením tropických pralesů a rovněţ i dopravou. Podíl dopravy se odhaduje na 10 aţ 15 %. Kromě sniţování škodlivých látek vzniká také úkol sniţovat spotřebu paliva a tím drţet emise CO 2 na nejniţší moţné úrovni. (Hlavňa a kol. 2003) Částice PM Jedná se o částice jako saze, karbon, popel, oxidy síry, sírany kovů a mikrokapky nespálených uhlovodíků z paliva a motorového oleje (aerosoly). Jejich vznik je spojen především se spalovacím procesem, mají i přímou souvislost s kvalitou konstrukčního řešení motoru (spotřeba mazacího oleje), jeho technickým stavem a s pouţitým palivem. Na rozdíl od naftového motoru je obsah částic PM u benzínového motoru zanedbatelný (20 aţ 200x méně). (Gscheidle a kol. 2002)

42 7. VLASTNÍ PRÁCE 7.1 Cíl práce Cílem práce je zpracovat současný stav v oblasti vícepalivových motorů, navrhnout metodiku měření, připravit a provést měření základních parametrů vícepalivového motoru. Hodnoceny jsou parametry motoru spalujícího stlačený zemní plyn (CNG) a benzín Natural 95, konkrétně je to záţehový motor automobilu Opel Combo 1,6 CNG s tovární úpravou pohonu na CNG. Vybrané výkonnostní a emisní parametry jsou pro obě paliva naměřena samostatně, a to vţdy metodou dynamickou a statickou. Veškerá měření jsou prováděna ve zkušebně MZLU Brno. 7.2 Měřící zařízení Veškeré měření proběhlo ve vozidlové zkušebně v areálu MZLU v Brně. Vozidlová zkušebna Ústavu techniky a automobilové dopravy sestává z vozidlového dynamometru 4VDM E120-D a emisní analýzy BOSCH ESA včetně měření NO x, dále je doplněna 8 čidly pro měření tlaku a 8 senzory teploty. Data jsou zapisována aţ ze 140 kanálů v reálném čase na PC. Protokol z měření je ukládán v HTML a všechny údaje je moţno exportovat do tabulkového procesoru k dalšímu zpracování Emisní analýza BOSCH ESA Přístroje BOSCH ESA (Emisní Systémová Analýza, Obr 14) je zařízení vyvinuté pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umoţňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je řešena modulárně, coţ znamená, ţe její funkce je moţné podle potřeb postupně rozšiřovat. Jako základ lze zvolit sestavy, které umoţňují měření emisí záţehových (ESA 3.140), vznětových (ESA 3.110) nebo záţehových a vznětových motorů (ESA 3.250). Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, ţe součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva. ESA kromě plynných emisí kouřivosti zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umoţňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáţe změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí, má moţnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je

43 databanka předepsaných hodnot některých vozidel a databanka zákazníků. Databanku předepsaných hodnot ostatních vozidel lze doplnit jako zvláštní výbavu. ESA dále tiskne protokoly o měření emisí se všemi náleţitostmi, automaticky čísluje protokoly, hlídá platnost osvědčení techniků, zajišťuje vedení evidence kontrolních nálepek, osvědčení a vypracovává pravidelná hlášení. Emisní systémová analýza je určena nejen pro úřední měření emisí, ale také pro diagnostiku a základní seřízení motoru. Jedná se o modulárně řešený systém, ve kterém je modul analyzátoru ETT 8.70/ETT 8.71, opacimetru RTM 430 a měřící modul MTM plus řízen počítačem. (Čupera 2008) Obr Emisní analyzátor BOSCH ESA 3.250; 1 Monitor, 2 Dálkové ovládání, 3 Inkoustová tiskárna, 4 Měřící modul MTM Plus, 5 Modul opacimetru RTM 430, 6 Klávesnice, 7 PC modul, 8 Modul analyzátoru ETT , 9 Dílenský vozík Modul analyzátoru ETT 8.70 provádí měření čtyř základních sloţek výfukových plynů CO, HC, CO 2, O 2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (např. benzín, LPG, CNG a metanol). Modul ETT 8.71 je navíc připraven na montáţ snímače pro měření NO x. Modul opacimetru RTM 430 je řešen systémem vzduchových závěsů, které zaručují vysokou přesnost měření a dlouhé intervaly údrţby. Výfuková sonda s nastavitelnou délkou umoţňuje bezproblémové připojení na výfuk i vozidel s extrémně krátkou nebo nezvykle tvarovanou koncovkou

44 výfuku. Magnetické uchycení přijímače a vysílače zrychluje jiţ tak velmi jednoduchou údrţbu. (Čupera 2008) Tab. 5 - Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA Měření Měřící rozsah Rozlišení Počet otáček ot/min 10 Teplota oleje C 1 C Modul analyzátoru ETT Oxid uhličitý (CO 2 ) 0,00-18,00 % obj. 0,01 % obj. Oxid uhelnatý (CO) 0,000-10,00 % obj. 0,001 % obj. Uhlovodíky (HC) ppm obj. 1 ppm obj. Kyslík (O 2 ) 0,00-22 % obj. 0,01 % obj. Lambda 0,5-1,8 0,001 Modul opacimetru RT 430 Kouřivost % 0,10 % Opacita /m 0,01 1/m Vozidlový dynamometr 4VDM E120-D Princip funkce K měření výkonu spalovacího motoru bez jeho demontáţe z vozidla slouţí válcový vozidlový dynamometr. Princip měření spočívá v tom, ţe výkon motoru je přenášen na hnací kola, která roztáčí válce dynamometru. Ty kladou otáčejícímu se kolu brzdný odpor. K válci jsou připojeny stejnosměrné elektrické dynamometry, které umoţňují regulaci velikosti odporu. Tento brzdný moment poté vyvolává reakční moment stejné velikosti (ale s opačným smyslem) a válce, které jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší reakční moment přes stator na tenzometr. Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení, lze vypočítat výkon. Konstrukce dynamometru zkušebny MZLU Kompletní vozidlová zkušebna Ústavu techniky a dopravy MZLU se skládá z dynamometru pro osobní automobily 4VDM E120-D a traktorového dynamometru VDU-E270T-E150T. Základní části celé zkušebny: 1) pevná část - přední monoválce pro osobní vozidla;

45 2) posuvná část - zadní monoválce pro osobní vozidla a přední válce pro traktory a nákladní vozidla; 3) pevná část s válci pro zadní nápravu traktoru a nákladního vozidla; 4) pojezdové profily a pohon pojezdu; 5) posuvné a pevné podlahy a kryty; 6) upevňovací zařízení pro osobní vozidla, traktory a bezpečnostní zábrany. Pevná a posuvná část pro osobní vozidla se dělí na: 1) rám; 2) válce se spojkou; 3) dynamometry s ventilací; 4) snímací rolny; 5) ustavovací zařízení; 6) přední náprava pro traktory. Základem konstrukce dynamometru 4VDM E120-D jsou tuhé rámy, na kterých jsou umístěny loţiska válců o průměru 1,2 m, stojiny a základních rámy se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy je posuvný a dá se seřizovat na poţadovaný rozvor, a to společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120-T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umoţňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Elektrické dynamometry SDS jsou propojeny s válcovými jednotkami ozubenými řemeny. Kaţdý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami, které umoţňují najetí a bezpečnostní zabrzdění vozidla. Válcové jednotky mají také pneumaticky ovládané nájezdové a středící zařízení a měřící rolny s odsunutelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů a upevněné na základním rámu. Základní rám je umístěn v montáţní jámě a je zalit betonem. Na základním rámu jsou rovněţ uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí dynamometru. V podlaze okolo montáţní jámy jsou zality dráţky pro ukotvení a upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montáţní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před

46 zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. Základní parametry dynamometru 4VDM E120-D jsou uvedeny v tabulce č. 6. Součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa a mnoţství vyměněného vzduchu činí aţ m 3 /h. U výfukových plynů lze regulovat mnoţství ručně nebo v závislosti na odebíraném výkonu motoru. (Čupera 2008) Dynamometr 4VDM E120D dále umoţňuje měření těchto zkoušek: zkoušky hnacího ústrojí měření otáčkových charakteristik motoru a to statickou i dynamickou metodou, simulace vozovky, akcelerační zkouška; zkoušky brzdové soustavy měření brzd včetně ABS; kalibrační testy určení pasivních odporů pro vyhodnocení jednotlivých zkoušek; doplňkové zkoušky testování palubních přístrojů (tachometru, otáčkoměru), zkouška náhonu 4x4. Obr Schéma kompletní zkušebny 4VDM E120-D a VDU E270T E150T

47 Tab. 6 - Základní parametry dynamometru 4VDM E120-D Parametr Hodnota Max. zkušební rychlost [km.h -1 ] 200 Max. výkon na nápravu [kw] 240 Max. hmotnost na nápravu [kg] 2000 Průměr válců [m] 1,2 Šířka válců [mm] 600 Mezera mezi válci [mm] 900 Povrch válců zdrsnění RAA 1,6 Setrvačná hmotnost válců (kaţdá náprava) [kg] 1130 Min. rozvor [mm] 2000 Max. rozvor [mm] 3500 Zatíţitelnost krytí v místě jízdy [kg] 2000 v místě chůze [kg] 500 Tlakový vzduch [bar] min. 4 Rozsah měření rychlosti [km.h -1 ] Přesnost měření rychlosti [km.h -1 ] ± 0,01 Přesnost měření sil [%] ± 0,25 Přesnost regulace rychlosti [%] ± 0,1 Přesnost regulace síly [%] ± 0,5 7.3 Měřené vozidlo K měření bylo zapůjčeno vozidlo Opel Combo Tour 1,6 CNG od firmy General Automobil, a. s., Brno, se sériovou úpravou pohonu na CNG. V automobilu byl namontován standardní záţehový motor V ECOTEC, který je upravený pro spalování zemního plynu (CNG) i benzínu (palivová soustava bi - fuel). Čtyřválcový motor byl vybaven sekvenčním vstřikováním s řídící jednotkou BOSCH se čtyřmi separátními tryskami pro zemní plyn a čtyřmi pro benzín. Výhodou tohoto řešení je, ţe v kaţdém reţimu a při spalování kteréhokoli paliva pracuje motor maximálně efektivně a produkuje niţší emise. Regulátor zaručuje stálý vstřikovací tlak 8 barů. Speciální konstrukce a materiál pístů dovolily také zvýšení kompresního poměru aţ na 12,5 : 1. Základní technické údaje jsou uvedeny v tabulce č

48 Obr. 16- Měřený vůz Opel Combo 1.6 CNG s palivovou soustavou bi - fuel; 1 regulátor tlaku plynu, 2 palivové potrubí pro benzín, 3 propojovací vysokotlaké plynové potrubí, 4 plnící hrdlo, 5 benzínová nádrž, 6 CNG tlakové nádoby Opel Combo je postaven na koncepci Monovalent plus, kdy hlavním palivem je CNG a je vybaven jen malou nádrţí na benzín pro krátký dojezd. Pod podlahou jsou umístěny tři zásobníky na zemní plyn a palivová nádrţ na benzín o objemu 14 l (viz Obr. 16). Nádrţe tedy nijak neomezují zavazadlový prostor. Objem nádrţí na plyn činí 19 kg. Dojezd na plyn je asi 370 km, celkový akční rádius i s benzínovým pohonem okolo 550 km. Přepnutí paliva benzín/cng umoţňuje tlačítko na přístrojové desce. Přehled o obsahu paliva v nádrţích podává jeden duální palivoměr, který vţdy ukazuje mnoţství dle aktuálního paliva. Automobil měl v době měření najeto 285 km

49 Tab. 7 - Základní technické údaje měřeného vozidla Označení vozu Opel Combo Tour 1,6 CNG Karoserie pětimístná, pětidvéřová, typu van Hmotnost provozní (kg) 1397 Hmotnost celková (kg) 1900 Zatíţení nápravy přední/zadní (kg) 820/1030 Rozvor (mm) 2716 Rozchod kol vpředu/vzadu (mm) 1417/1440 Pneumatiky 185/60 R15 Motor zdvihový čtyřválec, palivo CNG/Natural 95 Zdvihový objem (cm 3 ) 1598 Vrtání (mm) 79,0 Zdvih (mm) 81,5 Kompresní poměr 12,5 : 1 Max. výkon v kw/k při ot/min 69/94 při 6200 Max. toč. moment v Nm při ot/min 133 při 4200 Max. rychlost (km/h) 165 Zrychlení km/h (s) 15,0 Hnaná náprava přední Převodovka manuální, pětistupňová Převodové poměry 1. 3, , , , ,76 Zpětný chod 3,31 Stálý poměr 4, Metodika měření Postup měření: Před vlastním měřením na válcovém dynamometru je nutné nejprve zkontrolovat, zda jsou na hnaných kolech předepsané pneumatiky a dále zkontrolovat upevnění vyvaţovacích závaţí na discích kol. Tlak v pneumatikách má být na horní mezi stanovené výrobcem. Také je nutné doplnit potřebné mnoţství obou paliv pro následující měření. Provede se fixace a upevnění vozidla pomocí speciální konstrukce. Tato konstrukce je vybavena pryţovými dorazy, které doléhají na nárazník vozidla (Obr. 17)

50 Obr Upevnění vozidla na válcové zkušebně Na výfuk je nasazeno odsávací zařízení (Obr. 18). Současně se také připojí na výfukové potrubí sonda analyzátoru výfukových plynů, který během zkoušky zaznamenává hodnoty O 2, CO, CO 2, HC, NO x a vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu λ. Obr Nasazené odsávací zařízení a sonda analyzátoru výfukových plynů Na motor jsou dále nasazena tato čidla: čidlo teploty oleje, čidlo hmotnosti nasávaného vzduchu, čidlo teploty spalin a snímač otáček motoru. Vlhkost je měřena vlhkoměrem a tlak snímačem barometrického tlaku. Všechny zkoušky jsou plně řízeny centrálním počítačem, který je umístěn v řídícím velíně. Vlastní zkouška měření se kvůli reprodukovatelnosti výsledků provádí na určitý rychlostní stupeň. Velký výkon nelze měřit při nízkých rychlostech, je dobré zvolit co nejvyšší rychlostní stupeň s ohledem na provozní pole dynamometru. Při malých rychlostech totiţ není schopna styčná plocha mezi pláštěm a válci přenést velký výkon a dochází k prokluzu hnacích kol na zkušebních válcích. U měřeného vozidla Opel Combo byl zvolen 4. rychlostní stupeň

51 Dále se jiţ provádějí kalibrační testy: a) Kalibrační test tachometru odchylka zjištěné rychlosti na tachometru vozidla od skutečné rychlosti změřené zkušebnou. b) Kalibrace závislosti rychlosti vozidla na otáčkách motoru software vypočítá dynamický poloměr kola. c) Kalibrace pro statické zkoušky výkonu software vypočítá rovnici křivky pro ztrátový výkon. Protokoly z těchto kalibračních zkoušek jsou přiloţeny v přílohách. Výkon je měřen dvěma metodami, statickou a dynamickou. Dynamická metoda měření motor je krátkodobě zatíţen odporem setrvačných hmot válců dynamometru během jejich roztáčení. Výkon je poté stanoven výpočtem ze vzorce: kde: Mt točivý moment ω úhlová rychlost Js moment setrvačnosti ε úhlové zrychlení Zásadní roli u této zkoušky hrají momenty setrvačnosti všech roztáčejících se částí. Během této zkoušky nedojde ke stabilizaci vnitřních teplot motoru (povrchové teploty spalovacího prostoru, proudění v sacím a výfukovém potrubí), kde nejdůleţitější je teplota spalin a celá křivka výkonu můţe být deformována. Tato zkouška byla provedena vţdy 3x a to pro palivo benzín Natural 95 i CNG s následujícím postupem: do řídícího počítače se zadá záhlaví protokolu. Dále je zvolen rozsah otáček měření a převodový stupeň. Měřené vozidlo je rozjeto na zvolený rychlostní stupeň řidičem ve vozidle, který spustí měření klávesnicí, kterou má u sebe. Řidič plně akceleruje aţ po maximum měřeného rozsahu, které je signalizováno na monitoru před vozidlem. Po ukončení měření sešlápne pedál spojky, nechá zařazen rychlostní stupeň a počká aţ do zastavení kol, kterým měření končí. V kaţdém z tohoto měření bylo naměřeno přes 600 hodnot. Protokol z tohoto měření je přiloţen v přílohách

52 Statická metoda měření měření se provádí při konstantních otáčkách motoru, který je zatíţen dynamometrem (brzdou). Odečítají se otáčky dynamometru a jim odpovídající hodnota točivého momentu, který je snímán tenzometrem. Z těchto hodnot se následně výpočtem zjišťuje dosaţený výkon motoru. Před měřením se zvolí počet měřených bodů charakteristiky. U toho měření to bylo 8 bodů a postupné zvyšování rychlosti po 15 km/h. Poté vozidlo rozjedeme na zvolený rychlostní stupeň a řidič udrţuje otáčky motoru těsně pod zadanou první měřenou hodnotu. Pak spustí měření pomocí klávesnice a plně akceleruje a drţí pedál plynu na maximu. Počítač automaticky zaznamenává celou charakteristiku podle zadaných bodů, po jednotlivých posunech rychlosti o 15 km/h. Po skončení měření řidič uvolní pedál plynu a vyřadí rychlostní stupeň. Statická zkouška byla opět provedena 3x pro kaţdé palivo (benzín Natural 95 a CNG) a v kaţdé bylo naměřeno 8 hodnot. Protokol z měření je přiloţen v přílohách. Všechny hodnoty měření jsou společně s naměřenými hodnotami emisního analyzátoru BOSCH ESA (O 2, CO, NO x, HC, CO 2, λ) snímány centrálním počítačem. Ten veškeré hodnoty zaznamenává a ukládá do tabulkového procesoru Excel a také zapisuje zkušební protokoly (viz přílohy). V tomto zkušebním protokolu jsou uvedeny podmínky měření, základní údaje o měřeném vozidle, údaje o palivu, redukovaná tabulka naměřených hodnot a zkušební graf s hodnotou výkonu, točivého momentu a jiných volitelných hodnot

53 8. VÝSLEDKY MĚŘĚNÍ 8.1 Statická metoda v tabulce 8. Měření probíhalo v laboratořích MZLU za barometrických podmínek uvedených Tab. 8 - Barometrické podmínky měření Teplota (ºC) 24 Tlak (kpa) 98,5 Relativní vlhkost (%) 60 Jako průkaznější metodu měření je třeba brát metodu statickou, která se koná za ustálených podmínek měření pro jednotlivé zvolené rychlosti, proto jsou výsledky měření zhodnoceny jako první. U kaţdé metody je hodnocen výkon, točivý moment a hodnota součinitele přebytku vzduchu lambda v závislosti na otáčkách motoru. Dále jsou to emisní parametry CO, CO 2, NO x a HC také v závislosti na otáčkách

54 8.1.1 Tabulkové zpracování V následujících tabulkách 9 a 10 jsou uvedeny naměřené hodnoty z jednotlivých měření dle statické metody měření výkonu, a to pro obě paliva Natural 95 a CNG. Tab. 9 - Naměřené hodnoty statickou metodou pro palivo Natural 95 Měření č Natural 95 v n - Bosch P M t CO CO 2 HC Lambda NO x km/h 1/min kw N.m % % ppm - ppm 55, ,3 101,2 0,046 14, , , ,5 106,3 0,023 14, , , ,4 112,0 0,031 14,95 8 0, , ,7 119,7 0,584 14,80 9 0, , ,6 122,1 2,727 13, , , ,7 110,5 4,812 12, , , ,9 108,7 4,973 11, , , ,6 101,5 3,831 12, , Tab Naměřené hodnoty statickou metodou pro palivo CNG Měření č CNG v n - Bosch P M t CO CO 2 HC Lambda NO x km/h 1/min kw N.m % % ppm - ppm 55, ,5 106,7 0,009 11, , , ,1 105,0 0,003 11, , , ,6 115,7 0,004 11, , , ,0 120,3 0,236 11, , , ,2 123,6 0,230 11, , , ,8 116,8 0,011 11,95 8 0, , ,0 112,5 0,196 11, , , ,1 105,6 0,486 11, ,

55 Výkon P (kw) Grafické zpracování Výkon motoru P Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Výkon motoru v závislosti na otáčkách motoru Na obrázku 19 je graficky znázorněn průběh výkonu motoru v závislosti na otáčkách motoru. Pro objektivnější posouzení jsou uvedeny křivky dvou měření a vzájemné srovnání výkonu při pohonu na palivo Natural 95 a CNG. Jak je z grafu patrné, opakovaná měření pro jednotlivá paliva jsou téměř identické. Z grafu lze dále vypozorovat, ţe naměřený výkon je u pohonu na CNG dokonce vyšší neţ u Naturalu 95, nejvyšší naměřená hodnota je u CNG 64,6 kw při 5791 otáčkách min -1, u Naturalu 95 61,8 kw při otáčkách 5789 min -1. Rozdíl v maximálních dosaţených výkonech tedy činí 2,8 kw, coţ je o 1,8 % více ve prospěch CNG. Těchto výsledků bylo dosaţeno při měření č. 18 u paliva CNG a u Naturalu je to měření č. 11. Lze tedy s určitostí vyvrátit obavy, ţe vozidlo je na plyn méně výkonné neţ na benzín. Statická zkouška výkonu dokazuje pravý opak. Příklady naměřených hodnot jsou uvedeny v tabulkách 9 a

56 Točivý momnet M t (Nm) Je na místě dodat, ţe při měření nebylo dosaţeno plného výkonu 69 kw vzhledem k tomu, ţe automobil měl najeto v době měření pouze 285 km, čímţ se zvyšují odpory mechanických částí motoru a bylo třeba brát ohled na syrovost motoru. 130 Točivý moment M t Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Točivý moment v závislosti na otáčkách motoru Dalším sledovaným parametrem je točivý moment motoru. Na obrázku 20 je vykreslena jeho závislost na otáčkách motoru n pro obě měřená paliva. Jeho největší hodnota 123,6 Nm byla dosaţena při otáčkách 4191 min -1 a to opět s pohonem na CNG. U Naturalu 95 činila maximální hodnota 123,1 Nm při naprosto stejných otáčkách 4191 min -1. Maximální hodnoty točivého momentu jsou tedy téměř totoţné u obou paliv, z obrázku 20 je moţné vypozorovat jeho lepší průběh u CNG, kdy v niţších otáčkách okolo 3000 min -1 a poté i ve vyšších hodnotách okolo 5000 otáček min -1 vykazuje motor mírně vyšší hodnoty točivého momentu

57 Lambda (-) Součinitel přebytku vzduchu λ 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0, Otáčky motoru n (min -1 ) Natural měření Natural měření CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Součinitel přebytku vzduchu λ v závislosti na otáčkách motoru Jak lze vypozorovat z obrázku 21, kde je vynesena hodnota součinitele přebytku vzduchu λ v závislosti na otáčkách motoru, pohybuje se křivka u CNG v oblasti okolo hodnoty 1, tedy v oblasti stechiometrického směšovacího poměru. Naproti tomu u benzínu je ustálená křivka jen do 3500 otáček min -1, kde se zvyšujícími se otáčkami sniţuje λ aţ na hodnotu 0,86, tedy do oblasti velmi bohaté směsi. Hodnota součinitele přebytku vzduchu hodně vypovídá o stavu směsi při spalování. Na chudosti či bohatosti směsi jsou pak závislé emisní hodnoty výfukových plynů. Měřené hodnoty jsou pro jednotlivá měření opět téměř totoţná

58 CO (%) Oxid uhelnatý CO Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Oxid uhelnatý CO v závislosti na otáčkách motoru Dále jsou hodnoceny emisní hodnoty a to CO, CO 2, NO x a HC. Na obrázku 22 je vynesena závislost oxidu uhelnatého (CO) na otáčkách motoru. Jak je patrné z grafu, od hodnoty otáček 3000 min -1 se křivka CO u Naturalu 95 rapidně zvyšuje a koresponduje tak s křivkou součinitele přebytku vzduchu λ. V této oblasti dochází jiţ k vysokému obohacování směsi, zvyšuje se tedy i obsah CO ve výfukových plynech, kde dosahuje i maximální naměřené hodnoty 4,973 % při otáčkách 5262 min -1. U CNG dosahuje hodnota CO svého maxima v oblasti vysokých otáček nad 5500 min -1, křivka se však stále pohybuje pod hodnotou 0,5 % a také je závislá na součiniteli přebytku vzduchu. V oblasti okolo 4000 otáček, kde motor nejčastěji pracuje, je obsah CO u Naturalu 95 okolo 2 %, u zemního plynu je to jen asi 0,25 %, coţ je hodnota 8x niţší a ukazuje na ekologičnost provozu na plyn

59 CO 2 (%) Oxid uhličitý CO Otáčky motoru n (min -1 ) Natural měření Natural měření CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Oxid uhličitý CO 2 v závislosti na otáčkách motoru Grafické znázornění hodnot emisí CO 2 je zobrazeno na obrázku 23. Hodnoty CO 2 jsou nejvyšší u Naturalu 95 v oblasti od otáček 2000 do 3700 min -1 a jeho nejvyšší naměřená hodnota je 14,96% při 3101 otáčkách za min -1. Od vyšších otáček je opět patrná závislost CO 2 na lambdě, CO 2 koresponduje také s hodnotami CO a dochází ke sníţení aţ na hodnotu 11,91 % při 5262 otáčkách min -1. U zemního plynu je hodnota CO 2 ustálená a pohybuje se mírně pod 12 %. V oblasti nízkých otáček jsou tedy hodnoty CO 2 u zemního plynu asi o 20 % niţší oproti benzínu Natural 95, coţ je příznivější pro ţivotní prostředí a sniţuje moţnost tvorby skleníkového efektu, na kterém se CO 2 výrazně podílí

60 HC (ppm) Nespálené uhlovodíky HC Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Nespálené uhlovodíky HC v závislosti na otáčkách motoru Obsah emisí HC v závislosti na otáčkách motoru je vynesen na obrázku 24. Jak je patrné z grafu, u měření na pohon CNG se křivky HC poněkud rozcházejí, jejich průběh je však podobný. Nejvyšší obsah HC je u CNG v oblasti nízkých otáček a dosahuje hodnoty aţ 67 ppm při 2011 otáčkách min -1. Poté dochází k prudkému poklesu, ale při otáčkách 4191 min -1 vzrostly HC opět na 39 ppm. U benzínu HC korespondují opět s lambdou, kdy s obohacováním směsi ve vyšších otáčkách od hodnoty 4000 min -1 roste i obsah HC

61 NO x (ppm) Oxidy dusíku NO x Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Oxidy dusíku NO x v závislosti na otáčkách motoru U obsahu emisí oxidů dusíku, které jsou vyneseny na obrázku 25 lze pozorovat jejich ustálenou hodnotu pouze u Naturalu 95, kdy celá křivka hodnot pohybuje v rozmezí od 12 do 35 ppm. Maximální hodnota 35 ppm byla naměřena při otáčkách 2011 min -1. Jinak je tomu u CNG, kde se hodnoty v jednotlivých měřeních rozcházejí. Zajímavý je prudký nárůst NO x při 4727 otáčkách min -1, kde dosahuje hodnoty aţ 249 ppm. Této hodnoty bylo dosaţeno při měření č. 16, při měření č. 15 to byla hodnota 149 ppm, coţ je o 100 ppm méně. Obsah NO x je přímo závislý na součiniteli přebytku vzduchu λ a také souvisí s teplotou ve spalovacím prostoru. Tento výkyv je tedy zřejmě spojen s hodnotou lambda, která v tomto bodě dosahuje meze 0,999, směs obsahuje vysoký podíl kyslíku a teplota ve spalovacím prostoru dosahuje nejvyšších hodnot

62 8.2 Dynamická metoda měření Tabulkové zpracování výsledků Naměřené hodnoty u dynamické metody pro jednotlivá paliva jsou uvedeny v tabulkách 11 a 12. Protoţe z kaţdého měření bylo získáno více neţ 600 hodnot, je v tabulkách uvedena jen minimální a maximální hodnota a dále výběr po přibliţně 500 otáčkách pro lepší přehlednost. Tab Naměřené hodnoty dynamickou metodou pro palivo Natural 95 Měření č. 8 - Natural 95 v n - Bosch P M t CO CO 2 HC Lambda NO x km/h 1/min kw N.m % % ppm - ppm 49, ,5 97,1 0,043 14,93 3 0, , ,5 102,8 0,071 14,94 3 0, , ,4 108,3 0,122 14,88 7 0, , ,9 114,2 0,060 14, , , ,2 118,0 0,053 14, , , ,7 120,9 0,046 14, , , ,5 117,8 0,129 14, , , ,0 110,7 1,143 14, , , ,3 106,3 4,412 12, , , ,1 99,3 4,386 12, , Tab Naměřené hodnoty dynamickou metodou pro palivo CNG Měření č CNG v n - Bosch P M t CO CO 2 HC Lambda NO x km/h 1/min kw N.m % % ppm - ppm 49, ,1 105,5 0,141 11, , , ,1 110,1 0,136 11, , , ,3 107,9 0,094 11, , , ,1 117,9 0,036 11, , , ,8 122,1 0,017 11, , , ,9 126,1 0,014 11, , , ,5 124,1 0,207 11, , , ,3 115,1 0,303 11, , , ,1 109,5 0,083 11, , , ,8 103,5 0,047 11, ,

63 Výkon P (kw) Grafické zpracování výsledků 70 Výkon motoru P Otáčky motoru n (min -1 ) Natural měření Natural měření CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Výkon motoru v závislosti na otáčkách motoru Na obrázku 26 jsou vyneseny výsledky měření výkonu dynamickou metodou měření. Ten opět dosahuje vyšších hodnot (podobně jako u statické zkoušky) při pohonu na palivo CNG. Při 5906 otáčkách min -1 byl nejvyšší naměřený výkon 65,3 kw s pohonem na zemní plyn, u Naturalu 95 bylo dosaţeno maximální hodnoty 62,9 kw při 5930 otáčkách min -1. Rozdíl mezi maximálními dosaţenými výkony je tedy 2,4 kw, coţ je zvýšení u CNG o 1,5 % oproti benzínu. U dynamické metody bylo dosaţeno jiţ téměř 95 % udávaného výkonu výrobcem, tedy 69 kw. Křivky pro jednotlivá měření jsou opět téměř totoţné

64 Točivý moment M t (Nm) Točivý moment M t Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Točivý moment v závislosti na otáčkách motoru U hodnot točivého momentu, naměřených při dynamické zkoušce, je opět moţné pozorovat mírně vyšší hodnoty při pohonu na CNG. Jeho grafické vyhodnocení je zobrazeno na obrázku 27. U Naturalu 95 dosahuje maximální hodnota točivého momentu 121,3 Nm při 4212 otáčkách min -1, u zemního plynu bylo dosaţeno 126,9 Nm při 4143 otáčkách min -1. Oproti zkoušce statické je zde moţné vypozorovat mírné zvýšení točivého momentu u zemního plynu od 3000 otáček aţ do maxima v 6000 min -1 a to asi o 6,7 %

65 Lambda ( -) Součinitel přebytku vzduchu λ 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0, Natural měření CNG - 1. měření Natural měření CNG - 2. měření Otáčky motoru n (min -1 ) Obr Součinitel přebytku vzduchu λ v závislosti na otáčkách motoru Na obrázku 28 je znázorněn průběh součinitele přebytku vzduchu λ v závislosti na otáčkách motoru při dynamické metodě měření. Křivka má podobný průběh jako u zkoušky statické, kdy motor při pohonu na CNG pracuje téměř v celém pásmu otáček se stechiometrickým směšovacím poměrem, tedy λ = 1. Pouze u 1. měření zřejmě motor pracoval v oblasti nízkých otáček s velmi chudou směsí. U benzínu se λ prudce sniţuje od 4800 otáček min -1 aţ na hodnotu 0,872, kdy je směs s vyšší zátěţí motoru značně obohacena

66 CO (%) Oxid uhelnatý CO Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Oxid uhelnatý CO v závislosti na otáčkách motoru Oxid uhelnatý, jehoţ závislost na otáčkách motoru je vynesena na obrázku 29, opět plně koresponduje s křivkou součinitele přebytku vzduchu λ. U CNG dosahuje jeho nejvyšší naměřená hodnota 0,4 % v rozmezí od 4500 do 5000 otáček min -1, kde také lambda mírně klesá na pozici 0,985. Mírný nárůst tedy souvisí s obohacením směsi. U Naturalu 95 roste obsah emisí CO prudce od 4700 otáček se zvyšující se zátěţí motoru aţ k maximální hodnotě 4,7 %. Při plné zátěţi jsou emise CO asi 10x niţší u zemního plynu neţ při pohonu na benzín

67 CO 2 (%) Oxid uhličitý CO Natural měření Natural měření Otáčky motoru n (min -1 ) CNG - 1. měření CNG - 2. měření Obr Oxid uhličitý CO 2 v závislosti na otáčkách motoru Naměřené hodnoty emisí oxidu uhličitého při dynamické zkoušce jsou vyneseny v grafické podobě na obrázku 30. Z grafu je patrné, ţe i zde jsou emise CO 2 o přibliţně 20 % niţší u zemního plynu. Stabilně se pohybovaly okolo hodnoty 12 % oproti obsahu u Naturalu 95, kde jsou hodnoty do 5000 otáček min -1 na mezi 15 %. Od těchto otáček se CO 2 sniţuje, coţ souvisí s lambdou a obohacením směsi, kdy se naopak zvyšuje obsah CO