XXXVIII. medzinárodná vedecká konferencia pracovníkov katedier a pracovísk spaľovacích motorov vysokých škôl na Slovensku a v Čechách, Bratislava, 2007 VÝVOJ PLYNOVÉHO MOTORU PRO OSOBNÍ AUTOMOBIL PASSENGER CAR GAS ENGINE DEVELOPMENT Josef Laurin 1, Radek Holubec 2, Jan Mareš 3 Lektor: František Borůvka 4 ANOTACE Příspěvek stručně uvádí současný stav využití zemního plynu jako paliva pro silniční vozidla s původně benzinovými motory a shrnuje výsledky vývoje provedeného na Technické univerzitě v Liberci, při němž byl původně benzinový tříválcový nepřeplňovaný automobilový motor o výkonu 40 kw/4750 min -1 přizpůsoben pro pohon zemním plynem. Přechodem z benzinu na zemní plyn poklesl výkon motoru o 16 % a maximální točivý moment o 13 %. Při sledovaných režimech chodu motoru byly koncentrace CO a NOx ve výfukových plynech při provozu na zemní plyn nižší než při provozu na benzin a koncentrace THC vyšší. Katalyzátor původního benzinového motoru má v případě snižování koncentrace uhlovodíků při provozu na zemní plyn nízkou účinnost. Klíčová slova: plynový zážehový motor, zemní plyn, výfukové emise ABSTRACT The presentation briefly describes the current situation in natural gas application as a fuel for road vehicles originally operated with petrol engines and sumarizes the results of development carried out at Technical University of Liberec. An originally petrol fuelled three-cylinder not supercharged car engine having the power output of 1 doc.ing. Josef Laurin, CSc. Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel: +420 48 5353150, e-mail: josef.laurin@tul.cz, 2 Ing. Radek Holubec, Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel: +420 48 5353365, e-mail: radek.holubec@tul.cz. 3 Ing. Jan Mareš, Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel: +420 48 5353365, email: jan.mares@tul.cz 4 doc.ing. František Borůvka, CSc. doc. Ing. František Borůvka, CSc. LENAM, s.r.o., Klostermannova 15, Liberec, tel: +420 485222369, email: f.boruvka@lenam.cz S1_4-3
40 kw/4750 min-1 has been modified to be natural gas fuelled. The transition from petrol to natural gas resulted in 16% engine power output reduction and the maximum torque decreased by 13%. The investigated modes of the natural gas operated engine featured lower CO and NOx concentrations and higher THC concentrations compared with those of petrol fuelled engine. The catalyst of the original engine has a low efficiency in reducing HC concentrations of the natural gas fuelled engine. Key words: spark ignition gas engine, natural gas, exhaust emissions 1 ÚVOD V současné době je na světě přibližně 5 milionů osobních a užitkových vozidel s pohonem motory na zemní plyn (CNG), který dodává asi 8000 plnicích stanic. V Evropě jsou největší počty vozidel na zemní plyn provozovány v Itálii - přibližně 400 tisíc, na Ukrajině 70 tis. a v Německu 30 tis. V ČR je v provozu na zemní plyn dodávaný 15 plnicími stanicemi přibližně 600 vozidel, z toho asi 200 autobusů. Vozidlové plynové motory na zemní plyn bývají podle použitých paliv uspořádány buď jako jednopalivové pouze na zemní plyn, nebo dvoupalivové s možností alternativního provozu na zemní plyn i na benzin. Jednopalivové motory bývají využity hlavně u autobusů, užitkových vozidel a dopravních a manipulačních vozíků. U osobních automobilů se uplatňují převážně motory dvoupalivové - v některých případech je provoz na benzin pouze jako nouzový. Automobilový plynový motor může být vybaven palivovým systémem se směšovačem plynu se vzduchem v sání motoru nebo s vefukováním plynu do sání elektromagnetickými ventily. Směšovač v sání způsobuje tlakovou ztrátu nasávaného vzduchu, proto je méně vhodný než přívod plynu do sání vyfukovacími ventily. U motorů s EOBD bývá téměř výhradně použit systém s vefukováním plynu elektromagnetickými ventily do sání. Ventily mohou být ovládány buď původní řídicí jednotkou benzinového motoru přizpůsobenou i pro řízení chodu motoru na plynné palivo, nebo další řídicí jednotkou. Osobní automobily s možností provozu na zemní plyn vyrábí v současné době řada automobilek, např. Citroen, Ford, Fiat, Mercedes, Opel, Peugeot, Renault, Volvo, Volkswagen. S1_4-4
2 VÝKONOVÉ A EMISNÍ PARAMETRY MOTORŮ NA ZEMNÍ PLYN Výkon motoru osobních automobilů na zemní plyn bývá podle údajů výrobců obvykle 85-90 % výkonu motoru na benzin, někteří výrobci (např. Volvo a Mercedes) uvádějí stejný výkon motoru v provozu na zemní plyn i na benzin. Obvyklá představa, že škodlivé výfukové emise motoru při provozu na zemní plyn jsou nižší než při provozu na benzin, není správná. Některé z literárních pramenů uvádí snížení konkrétních plynných škodlivých emisí při přechodu z benzinu na zemní plyn, jiné naopak zvýšení. Porovnání výfukových emisí motorů různých osobních automobilů při chodu na GNG a při chodu na benzin zjišťovaných při režimech testu EHK 83 je ve studii [2]. Dále budou uvedeny výsledky ověřování možnosti provozu tříválcového benzinového automobilového motoru ŠA 1,2 l HTP - 40 kw na zemní plyn, provedeného na Technické univerzitě v Liberci. 3 BENZINOVÝ MOTOR ŠA 1,2 HTP 40 kw Motor ŠA 1,2 HTP je automobilový řadový tříválcový kapalinou chlazený benzinový nepřeplňovaný motor s rozvodem OHC, sekvenčním vstřikováním benzinu před sací ventily, třísložkovým katalyzátorem a dvěma lambda-sondami. Hlavní konstrukční a provozní parametry motoru : vrtání válců 76,5 mm, zdvih pístů 86,9 mm, kompresní poměr 10,3:1, max. točivý moment 106 Nm při otáčkách 3000 min -1, max. výkon 40 kw při 4750 min -1. Motor je vybaven řídicím systémem s řídicí jednotkou SIMOS 3PD. 4 PLYNOVÉ PALIVOVÉ PŘÍSLUŠENSTVÍ Na motor bylo instalováno plynové palivové příslušenství BRC Sequent Fastness italské fy M.T.M, S.r.l. Uspořádání plynového palivového příslušenství (pro čtyřválcový motor) ukazuje obr. 1. Regulátor tlaku plynu snižuje vstupní tlak plynu v prvním stupni na 0,5 až 0,6 MPa, ve druhém stupni na 0,2 MPa. Elektromagnetickými ventily se plyn vefukuje do sání jednotlivých válců. Do řídicí jednotky plynového příslušenství je možno vložit data, kterými se korigují hodnoty předstihu zážehu a doby otevření vefukovacích ventilů stanovené S1_4-5
řídicí jednotkou benzinového motoru. Korekce se ukládají do tabulky pro režimy chodu motoru dané otáčkami a tlakem vzduchu v sání za škrticí klapkou. Obr. 1 Uspořádání plynového palivového příslušenství 5 MOTOROVÁ PALIVA Pro zkoušky motoru na zemní plyn v laboratoři KVM TUL byl použit zemní plyn obsahující 98,2 % metanu, 1,1 % dalších uhlovodíků a 0,7 % dusíku, výhřevnost 13,75 kwh.kg -3, stechiometrické množství vzduchu 17 kg.kg -1 a benzin Speciál BA 95, OČVM 95, výhřevnost 11,8 kwh.kg -3, stechiometrické množství vzduchu 14,5 kg.kg -1. S1_4-6
6 ZKOUŠKY MOTORU Cílem prvních zkoušek motoru bylo nalézt korekce hodnot předstihu zážehu (PZ) a bohatosti palivové směsi ( lambda ) z řídicí jednotky SIMOS 3PD tak, aby byly vhodné pro provoz motoru na zemní plyn, a zjistit, jak se změní jmenovitý výkon a maximální točivý moment motoru při chodu na zemní plyn v porovnání s provozem na benzin. Při provozu motoru na zemní plyn musí mít PZ a lambda hodnoty zajišťující, že teplota výfukových plynů na vstupu do katalyzátoru nepřekročí 930 o C a plynné výfukové škodliviny budou na přijatelné úrovni. Vhodné korekce PZ a lambda byly stanoveny následovně: Pro provoz na zemní plyn se předstih zážehu zvyšuje, a to při nízkých otáčkách motoru až do 3500 min 1 o 9,8 o a pro vyšší otáčky o 4,9 o. Korekce bohatosti plynové palivové směsi jsou nastaveny tak, že výsledná bohatost palivové směsi se nachází v rozmezí lambda 0,9 až 1,0. 45 Vnější otáčková charakteristika CNG BA-95 110 40 100 výkon [kw] 35 30 25 90 80 70 točivý moment [Nm] 20 60 15 50 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 2 Vnější otáčková charakteristika motoru na benzin a na zemní plyn S1_4-7
Výkonové parametry motoru při provozu na benzin a na zemní plyn ukazují vnější otáčkové charakteristiky na obr. 2. Jmenovitý výkon motoru přepočtený na referenční atmosférické podmínky podle ISO 1585 po přechodu z benzinu na zemní plyn poklesl ze 41,5 kw na 34,8 kw, tj. přibližně o 16 %, a max. točivý moment po přechodu na zemní plyn poklesl ze 105,1 Nm na 91,1 Nm, tj. přibližně o 13 %. Průběhy teplot v režimech vnějších otáčkových charakteristik při provozu na benzin a na zemní plyn jsou v grafu na obr. 3. Teploty výfukových plynů po přechodu na plyn jsou nižší než teploty při provozu na benzin. Výrazné snížení teploty výfukových plynů při otáčkách 3500 min 1 je způsobeno obohacením palivové směsi vyvolaným funkcí řídicí jednotky ochrana katalyzátoru. Teplota výfukových plynů, součinitel přebytku vzduchu λ T výf - BA 95 T výf - CNG λ - BA 95 λ - CNG Teplota výfuk. plynů t_výf [ C] 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 1,1 1,05 1 0,95 0,9 λ směsi [1] 450 0,85 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Obr. 3 Teploty výfukových plynů při režimech vnějších otáčkových charakteristik Výfukové emise CO, THC, NOx a CO 2 byly měřeny před katalyzátorem a za katalyzátorem při provozu motoru na zemní plyn i na benzin v režimech daných jízdními odpory vozidla FABIA SK358 s motorem ŠA 1,2 l HTP (viz graf na obr 4). S1_4-8
Emise CO a CO 2 měřené před katalyzátorem jsou v grafu na obr. 5, emise měřené za katalyzátorem v grafu na obr. 6. V grafu na obr. 5 jsou též měrné spotřeby tepla. Emise THC a NOx měřené před katalyzátorem jsou v grafu na obr. 7, emise měřené za katalyzátorem v grafu na obr. 8. Poměrně vysoké hodnoty koncentrací THC při otáčkách motoru 1500 min 1 byly způsobeny pravděpodobně občasným vynecháním zážehu. Představu o hodnotách plynných škodlivin v režimech zatěžovacích charakteristik při otáčkách 3000 min 1 a 4750 min 1 dávají výsledky měření provedených na motoru s plynovým palivovým příslušenstvím Lovato a O.M.V.L. uvedené ve zprávě [1]. 70 60 "Jízdní odpory ŠA 1,2 HTTP", režimy točivý moment [Nm] 50 40 30 20 10 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 4 Režimy odpovídající jízdním odporům vozidla FABIA SK358 S1_4-9
"Jízdní odpory ŠA 1,2 HTTP", emise před kat. plná čára CNG, přerušovaná BA 95 CO2 qpe CO 20 1,00 CO2 [%], g pe [MJ/kWh] 18 16 14 12 0,80 0,60 0,40 0,20 CO [%] 10 0,00 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 5 Emise CO a CO 2 před katalyzátorem, měrná spotřeba tepla 16 "Jízdní odpory ŠA 1,2 HTTP", emise za kat. plná čára CNG, přerušovaná BA 95 CO2 CO 3000 15 2500 CO2 [%] 14 13 12 2000 1500 1000 CO [ppm] 11 500 10 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 6 Emise CO 2 a CO za katalyzátorem S1_4-10
"Jízdní odpory ŠA 1,2 HTTP", emise před kat. plná čára CNG, přerušovaná BA 95 THC NOX 1500 5000 1400 4500 1300 4000 THC [ppm] 1200 1100 1000 900 800 3500 3000 2500 2000 1500 NOX [ppm] 700 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 7 Emise THC a NOx před katalyzátorem "Jízdní odpory ŠA 1,2 HTTP", emise za kat. plná čára CNG, přerušovaná BA 95 THC NOX 700 1400 600 1200 500 1000 THC [ppm] 400 300 800 600 NOX [ppm] 200 400 100 200 0 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 8 Emise THC a NOx za katalyzátorem S1_4-11
Účinnost katalyzátoru při snižování plynných výfukových škodlivin CO, THC a NOx ukazuje graf na obr. 9. Katalyzátor původního benzinového motoru má v případě snižování THC při provozu motoru na zemní plyn nízkou účinnost, a to hlavně v režimech při malých zatíženích motoru, kdy je nízká teplota výfukových plynů. 1,05 1,00 0,95 Účinnost katalyzátoru plná čára CNG, přerušovaná BA 95 HC NOX CO účinnost katalyzátoru [1] 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Obr. 9 Účinnost katalyzátoru 7 ZÁVĚRY Benzinový motor ŠA 1,2 HTP s řídicí jednotkou SIMOS 3PD byl pro provoz na zemní plyn vybaven palivovým příslušenstvím fy M.T.M. BRC Sequent fastness se sekvenčním vefukováním zemního plynu do sání jednotlivých válců elektromagnetickými ventily. Pro provoz motoru na zemní plyn byly do řídicí jednotky BRC Sequent fastness uloženy korekce hodnot předstihu zážehu a dávek paliva stanovených řídicí jednotkou SIMOS 3PD pro provoz na benzin. Porovnání parametrů motoru při chodu na benzin a na zemní plyn ukázalo, že: S1_4-12
Jmenovitý výkon motoru po přechodu z benzinu na zemní plyn poklesl ze 41,5 kw na 34,8 kw, tj. přibližně o 16 %, a max. točivý moment po přechodu na zemní plyn poklesl z 105,1 Nm na 91,1 Nm, tj. přibližně o 13 %. Koncentrace plynných výfukových škodlivin byly měřeny v režimech odpovídajících jízdním odporům automobilu FABIA SK358. Změnu objemových koncentrací plynných výfukových škodlivin před a za katalyzátorem při přechodu z provozu motoru na benzin na provoz na zemní plyn ukazuje následující tabulka. Škodlivina Koncentrace plynných škodlivin při provozu na zemní plyn ve vztahu k provozu na benzin před katalyzátorem za katalyzátorem Oxid uhelnatý nižší převážně nižší Uhlovodíky nižší vyšší Oxidy dusíku nižší převážně nižší Účinnost katalyzátoru je v případě oxidace THC při provozu na zemní plyn výrazně nižší než při provozu na benzin, a to zejména při nižších teplotách výfukových plynů. Vyšší účinnosti katalyzátoru při oxidaci uhlovodíků v provozu na zemní plyn se zpravidla dosahuje s jiným poměrem Pt : Pd : Rh, než má katalyzátor benzinového motoru. Měrné spotřeby energie (MJ.kWh -1 ) zjišťované při režimech chodu motoru odpovídajících jízdním odporům automobilu FABIA SK358 jsou při provozu na benzin a provozu na zemní plyn téměř stejné. K ochlazení výfukových plynů na teploty přípustné pro provoz na benzin stačí při provozu na zemní plyn nižší obohacení palivové směsi než v případě směsi benzinové. Publikované výsledky byly získány za přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR, projekt 1M68407700002 Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II. S1_4-13
LITERATURA [1] Beroun, S. a spol.: Motor ŠA 1,2 HTP na alternativní paliva CNG a LPG. (Výzkumná zpráva), č. SM 536/2006. Technická univerzita v Liberci, Liberec 2006. [2] Laurin, J.: Motory Škoda Auto 1,2 HTP 40 kw na zemní plyn. (Studie), č. SM 529/2006. Technická univerzita v Liberci, Liberec 2006. [3] Výsledky zkoušek provedených při vývoji plynového motoru ŠA 1,2 HTP 40 kw na katedře vozidel a motorů TUL. Liberec 2007. S1_4-14