KATEDRA VOZIDEL A MOTORŮ. Paliva pro PSM #3/14. Karel Páv

Transkript

1 KATEDRA OZIDEL A MOTORŮ Paliva pro PSM #3/14 Karel Páv

2 Obecné požadavky na paliva PSM 2 / 9 ysoká výhřevnost na jednotku hmotnosti, resp. objemu (včetně obalu) Nízká cena o nejnižší zdravotní závadnost BA hemická časová stálost NM Nekorozivnost (jak paliva, tak i spalin: síra, vanad) Etanol Schopnost tvořit směs Metanol Schopnost úplného shoření LPG Minimální tvorba škodlivých produktů spalování LNG (oxidy síry, olovo, polycyklické uhlovodíky) ustota energie vztažená na 1 litr objemu paliva L2 NG 1% Rozdělení paliv pro PSM: Fosilní (z ropy, zemního plynu, uhlí) 2 % 2% 4% 6% 8% 1% 12% Obnovitelná (z vody, zemědělských plodin) Uhlovodíková paliva odík Kapalná Plynná Těžko odpařitelná (nafta, metylestery, rostlinné oleje) (pro vznětové motory - M) Lehce odpařitelná (benzin) (pro zážehové motory - ZM) Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol) Jsou možné kombinace různých paliv (a to nejen směsí)

3 Stavba uhlovodíkových paliv 3 / 9 Nasycené uhlovodíky (s max. možným počtem ): n-alkany: metan 4, etan 2 6, propan 3 8,, oktan 8 18 (n-parafiny) přímá vazba, vysoká výhřevnost n 2n izoalkany: (izoparafiny) izobutan 4 1,, izooktan 8 18 (2,2,4-trimetylpentan) větvená vazba, nevznětlivé, vhodné pro ZM n 2n+2 cykloalkany: cyklopropan 3 6, cyklobutan 4 8, cyklohexan 6 12 (cykloparafiny, nafteny) kruhová přímá vazba, celkem stabilní n 2n metylová skupina Nenasycené uhlovodíky: - nestabilní v palivu (polymerují) vlivem dvojné nebo trojné vazby mezi n-alkeny: eten (etylen) 2 4, propen 3 6,, okten 8 (olefiny) přímá vazba s výskytem dvojné vazby n 2n izoalkeny: izobuten 4 8, izopenten 5 1 větvená vazba s výskytem dvojné vazby n 2n O alkiny: etin (acetylen) 2 2 výskyt trojné vazby n 2n-2 cykloalkeny: kruhová vazba s výskytem dvojné vazby Mocnost atomů:

4 Teplota varu [ ] Stavba uhlovodíkových paliv 4 / 9 Aromatické uhlovodíky: benzen 6 6, metylbenzen (toluen) 7 8 kruhová vazba 6-ti se střídající se dvojnou a jednoduchou vazbou velmi stabilní, vhodné pro ZM, karcinogenní n 2n-6 Monoaromáty (metylbenzen 7 8 ) 3 3 Diaromáty (1-metylnaftalen 11 1 ) Polyaromáty (antracen 14 1 ) Alkoholy: metanol (metylalkohol) 3 O, etanol (etylalkohol) 2 5 O náhradou atomu skupinou O nižší výhřevnost vyšší výparné teplo n 2n+1 O O Étery: s kyslíkovou vazbou metyl-terc-butyléter (MTBE) ( 3 ) 3 O 3, ETBE ( 3 ) 3 O vzniká katalytickou reakcí izobutenu a matanolu, resp. etanolu O Počet atomů v molekule x y 3

5 Kapalná paliva pro M 5 / 9 Lehká paliva (rychloběžné vozidlové motory): Střední paliva (stacionární, dráhové a lodní motory): Těžká paliva (topné oleje pro námořní motory) MN se vyrábí mísením petroleje a dalších frakčních destilátů ropy Dimetyléter lze vyrobit syntézou z fosilní suroviny (plynu) nebo z biologicky odbouratelných surovin (dřevo, sláma, odpady - biomasy) Přísady (aditiva): Zvyšovače Č Mazivostní přísady Detergentní (čistící) přísady Protikorozní přísady Protipěnivostní přísady Důležité parametry motorové nafty (NM): Přísady pro zlepšení ustota paliva kg/m 3 při 15 (ovlivňuje bohatost směsi) nízkoteplotních vlastností Obsah síry do 1 mg/kg Filtrovatelnost (odolnost proti vylučování krystalků parafínu) Typ B (do ), typ D (do -1 ), typ F (do -2 ), typ A2 - arktická MN (do -32 ) iskozita (kinematická) 2 4,5 mm 2 s -1 při 4 Motorová nafta (NM) Směsná NM (Bionafta s min. 3% přídavkem metylesterů) MEŘO / FAME (Fatty Acid Methyl Ester) Dimetyléter (DME) Rostlinný olej (Pure Plant Oil) ydrogenované živočišné tuky (protichůdně ovlivňuje velikost kapek vstřikovaného paliva a schopnost mazání čerpadla)

6 Kompresní poměr E25 E35 95% Důležité parametry NM: Kapalná paliva pro M Destilační křivka ČSN EN ISO 345 Počátek destilace: dáno bezpečností proti požáru 1. půle: kouřivost studeného motoru 2. půle: kouřivost teplého motoru, úsady, ředění oleje 12 1 t [ ] Při 95% max.36 6 / 9 Uhlovodíky v NM: 9 23 Ekvivalentní složení NM: etanové číslo ČSN EN ISO 55, cetanový index schopnost samovznícení paliva - Stanovení na zkušebním jednoválci: n=9 min -1, =6 28 srovnáním s referenčním palivem Č 1 n n Běžné hodnoty pro MN: Č=48 55 Zastoupení [%] < >23 Počet atomů n n izo - Laboratorní empirické stanovení pomocí hustoty a destilační křivky nejsou zohledněna aditiva I<Č, více aditiv I<<Č Nízké Č: orší startovatelnost Delší průtah vznícení delší čas na přípravu hořlavé směsi větší podíl kinetického hoření vyšší tvrdost chodu a emise NO x ětší kouřivost Nižší indikovaná účinnost (hoření se přesouvá do pozdější expanze) max.65% - mění se kompresní poměr tak, aby byla zachována doba průtahu vznícení 13 K (2,47ms) Obj. % Č=1 krátký průtah vznícení min.85% Poměr mezi cetanem 34 (Č=1) a 1-metylnaftalenem 11 1 (Č=), resp. izocetanem 34 (Č=15) s přepočtem. Č 1 Č Č 2

7 Zastoupení [% hm.] E7 E1 E15 Automobilový benzín Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol) Směsi Flexi Fuel Benzín pro motory starší konstrukce: ustota paliva kg/m 3 při 15 Obsah síry do 1 mg/kg Kapalná paliva pro ZM - roce 21 zrušení olovnatých benzínů (tetraetyl olova Pb( 2 5 ) 4 ) - Do roku 21 benzín s obsahem draslíku - Nyní je možná pouze dodatečná individuální aditivace Důležité parametry automobilového benzínu (BA): Minimální obsah aromatických uhlovodíků a alkenů Minimální obsah těžkých frakcí Odpařitelnost Destilační křivka ČSN EN ISO 345 Počátek destilace: ztráty při manipulaci s palivem E7: startovatelnost studeného motoru E1: akcelerační schopnosti motoru E15: účinnost vyhoření paliva, ředění oleje Konec destilace, destilační zbytek <2% Přísady (aditiva): Zvyšovače OČ Mazivostní přísady Detergentní (čistící) přísady Tlak par DPE (Dry apour Pressure Equivalent) při 37,8 - Schopnost tvorby směsi při studeném startu motoru - Letní benzín: 45 6 kpa - Zimní benzín: 6 9 kpa Uhlovodíky v BA: Pro jeho zvýšení se přidává butan Ekvivalentní složení BA: 7,76 14,67 O,12 t [ ] Protikorozní přísady Protipěnivostní přísady % 46 71% min.75% 7 / 9 Konec destilace (min.98%) max Obj. % < >11 Počet atomů v molekule

8 Intenzita klepání Kapalná paliva pro ZM 8 / 9 Důležité parametry BA: Oktanové číslo - antidetonační odolnost paliva (odolnost proti klepání) - Stanovení na zkušebním jednoválci s =5 15 srovnáním s referenčním palivem: (lineární interpolace mezi dvěma vzorky paliva) OČ 1 OČ OČ 2 a) ýzkumná metoda (M): n=6 min -1, t vzd =52, z =13, dle klepání, ČSN EN ISO 54 b) Motorová metoda (MM): n=9 min -1, t směs =149, z =19 26 při =7 5, ČSN EN ISO 53 Poměr mezi izooktanem 8 18 (OČ=1) a n-heptanem 7 (OČ=) OČ OČ=1 vysoká antidetonační odolnost OČ M > OČ MM - Rozdíl ukazuje na citlivost paliva na změnu provozních podmínek (nejvyšší rozdíly vykazují aromaty). Směsné oktanové číslo: Jednotlivá paliva ve směsi neovlivňují výsledné OČ směsi přesně podle jejich množství a vlastních OČ. - Laboratorní stanovení OČ pomocí složení paliva a empirických vztahů (ke složení paliva se využívá IR spektrometrie) Antidetonanty: - Ukončují některé větve řetězových reakcí - Tetraetyl olova nahrazen MTBE nebo ETBE - Metanol, etanol, voda Palivo OČ - M OČ - MM Benzín Metanol Etanol MTBE

9 Tlak par [kpa] Plynná paliva 9 / 9 - LPG (zkapalněný propan/butan, složení podle období letní/zimní) - NG (zemní plyn: metan (98%), etan (1%), propan (,5%), O 2, 2 O) - LNG (zkapalněný zemní plyn při -2 ) - Bioplyny (směsi různých plynů, hlavním palivem je metan, vysoký obsah O 2, N 2 ) - 2 (stlačený vodík) - L 2 (zkapalněný vodík při -253 ) ýhody plynných paliv: Snadná tvorba směsi ( 2 má nejvyšší difuzivitu) Široké meze zápalnosti ysoká antidetonační odolnost Nízké emise pevných částic Nižší emise polycyklických aromatických uhlovodíků (zvláště po startu) Důležité parametry plynných paliv: Tlak nasycených par pro LPG Wobbeho index W Metanové číslo Poměr mezi metanem 4 (MČ=1) a vodíkem 2 (MČ=) MČ 1 u 4 3 u [MJ/m ] ( p, T) ( p, T) 4 svzd 2 Rauoltův + Daltonův zákon: i 1 - Antidetonační odolnost roste s podílem O 2 a N 2 p sm liq x i N x liq i p molární podíly v kapalině i Teplota paliva [ ] p atm