Zážehové motory při provozu na biobutanolová paliva Teze disertační práce Studijní program: Studijní obor: Autor práce: Školitel: P Stroje a zařízení V Konstrukce strojů a zařízení Ing. Martin Pechout doc.ing. Josef Laurin, CSc. Liberec 7
Abstrakt Práce se zaobírá možnostmi použití paliv obsahujících butanol, jakožto alkoholu vyrobitelného z obnovitelných zdrojů, v současných zážehových motorech. Z teoretické rozvahy vyplývá, že vlastnosti obou uvažovaných izomerů (n-butanolu a iso-butanolu) jsou v mnohém výhodnější oproti etanolu, kdy vyniká například nižší nutný nárůst doby vstřiku (přibližně %) pro butanol nežli prakticky dvojnásobný pro etanol. Spalování butanolu bylo zkoumáno na motoru s otevřeným řízením a na vozidlovém motoru za vybraných ustálených režimů. U vozidlového motoru byla také sledována míra zachování výchozí bohatosti směsi a u obou pak průběh hoření, teploty a složení výfukových plynů. Výsledkem je doporučené mírné snížení předstihu zážehu za nízkých zatížení, zejména pro n-butanol.teploty výfukových plynů mírně klesaly s rostoucí náhradou benzinu butanolem. Rovněž třísložkový katalytický reaktor vykazoval schopnost korektní funkce bez ohledu na podíl butanolu v palivu. Zároveň se však v nemalé míře projevila vysoká teplota varu butanolu vedoucí k výraznému zhoršení startovatelnosti studeného motoru. U vozidlového motoru se projevila již od středních podílů butanolu. Jízdní zkoušky za reálných podmínek při provozu prohřátého motoru ukazují úspěšnost adaptace řídicí jednotky motoru pro jednotlivé podíly butanolu včetně vysokých. Část vozidel byla schopna za reálného provozu s prohřátým motorem akceptovat bez jakýchkoliv úprav poloviční, a v některých případech i vyšší, podíl butanolu za cenu problematické startovatelnosti. V případě přímého vstřiku paliva byla testována pouze nižší koncentrace, avšak bez zaznamenatelných potíží. V případech úspěšné adaptace převládaly emise plynných znečišťujících látek srovnatelné s provozem na benzin. Navíc výsledky ukazují výrazný pokles produkce pevných částic při přímém vstřiku paliva do válce. Dále jsou v teoretické rovině porovnána opatření pro zachování startovatelnosti motoru, která byla zjištěna jako problematická při přídavku butanolu. Celkově lze pro oba izomery butanolu očekávat obdobný potenciál pro úspěšné nahrazení benzinu v řádu nízkých až vysokých desítek procent v závislosti na míře úprav motorů. Abstract The thesis investigates the possibilities of utilization of fuels containing butanol, which can be produced from renewable resources, in current spark ignition engines. From a theoretical assessment it follows that both considered butanol isomers (n-butanol and iso butanol) need about half of the fuel injection prolongation (approx. %) compared to ethanol. Butanol combustion has been investigated on an open-control engine and on a vehicle engine at steady state points. The air to fuel ratio change has been evaluated as an indicator of vehicular engine control unit adaptation. Exhaust gas temperature and composition has been evaluated for both engines. Based on these results, it is suggested suitable spark advance decrease at low loads mainly for n-butanol, which is less pronounced for the vehicle engine. A small exhaust gas temperature decrease occurred with increasing butanol share. The three-way catalytic converter exhibited high efficiency regardless of the concentration of butanol utilized. Higher butanol boiling temperature significantly worsened cold startability at medium to high shares of butanol. Driving tests were carried out on four cars representing current fleet at real-world driving conditions with hot start and utilizing mixtures including high butanol shares. Part of tested vehicles was able to accept half, and in some cases higher, butanol share during real-world operation with hot engine without any engine modification, but the cold engine startability was very problematic. Only moderate butanol share was tested in a vehicle with direct fuel injection, on which no issues were observed. In case of successful control unit adaptation vehicles exhaust gas gaseous pollutants production was mostly comparable to gasoline operation. In addition, particulate production was dramatically reduced when butanol mixture was combusted in the direct injection engine. Next, the countermeasures to ensure proper cold engine startability are discussed. Supposed potential for trouble-free butanol usage is in a blend at lower to higher tens of percent with gasoline, depending on degree of engine modification.
Obsah Seznam zkratek a symbolů... Úvod... Cíle disertační práce... Shrnutí a výběr izomerů a přehled vlastností... Rozbor základních vlastností butanolu...6 Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením...7. Vliv použití butanolu na průběh hoření a polohu optimálního předstihu...7. Vliv použití butanolu na teploty výfukových plynů.... Vliv použití butanolu na účinnost třísložkového katalyzátoru... 6 Výsledky experimentů na vozidlovém motoru... 6. Popis adaptace řídicí jednotky motoru... 6. Vliv butanolu na průběh hoření...6 6. Porovnání výkonových parametrů... 7 Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí... 7. Výsledky jízdních zkoušek vozidla s jednobodovým vstřikem paliva... 7. Výsledky provozu vozidla s vícebodovým vstřikem paliva... 7. Výsledky provozu vozidla s vícebodovým vstřikem a fungujícím třísložkovým katalyzátorem... 7. Popis jízdních zkoušek vozidla s přímým vstřikem...6 8 Teoretický rozbor možností řešení výrazně zhoršené startovatelnosti neprohřátých motorů...9 9 Zhodnocení dosažených výsledků disertační práce a doporučení směřování budoucích aktivit... Seznam použité literatury... Seznam původních prací, vztahujících se k tématu disertační práce... ~ ~
. Úvod Úvod Již od počátku využívání pístových spalovacích motorů, jakožto tepelných strojů s vnitřním spalováním, bylo nutné řešit otázku vhodného zdroje energie, tedy paliva. Z pohledu zážehových motorů došlo k jejich největšímu rozšíření, co do počtu i množství spotřebovávaného paliva, zejména v oblasti osobních automobilů, s převládajícím podílem motorů spalujících kapalná paliva. Nicméně s vědomím konečných zásob ropy dochází k nárůstu úsilí o nalezení paliv z jiných zdrojů, což vyústilo ve vyvinutí značného úsilí směřujícího k diverzifikaci energetických nároků dopravy. Toto se projevilo výzkumem a následně zavedením výroby a využitím paliv z obnovitelných zdrojů a využitím dalších, zejména plynných, paliv ropného původu. V současné době je jako takovéto kapalné palivo produkován a nabízen zejména etanol ve směsi s benzinem, jehož použití však vykazuje jisté negativní vlastnosti ať už z technického či společenského hlediska. Je tedy stále na místě ohlížet se po dalších kapalných palivech, která by vykazovala lepší potenciál z hlediska výrazné náhrady benzinu. Jedním z takových kandidátů je i čtvrtý z homologické řady alkoholů, butanol, jakožto palivo druhé generace vyrobitelné z obnovitelných nepotravinových zdrojů. Předmětem prováděné disertační práce je shrnutí vlastností jednotlivých izomerů butanolu, důležitých pro použití v zážehových pístových spalovacích motorech, experimentální zjištění průběhu spalování a jeho produktů, určení limitů pro použití butanolu a návrhu opatření pro překonání překážek v použití butanolu jakožto paliva pro zážehové motory. Experimentální vyšetřování bylo prováděno s využitím několika konstrukčních variant motorů z pohledu uspořádání tvorby palivové směsi za účelem jejich vzájemného porovnání z hlediska vhodnosti použití butanolu. Cíle disertační práce Hlavním cílem disertační práce je shrnutí a rozšíření současného stavu poznání ohledně použití butanolu jakožto paliva pro různé zážehové motory. Rozšíření současného stavu poznání je podmíněno aktuálností prováděného výzkumu, pročež je nutné zjistit aktuální stav poznání využití butanolu. Z tohoto důvodu je mezi cíle práce zahrnuta rovněž rešerše dostupné literatury. Výsledkem rešerše má být výběr izomerů butanolu, vykazujících potenciál k použití v zážehových motorech coby obnovitelná paliva, a způsobu experimentálního vyšetření aspektů jejich využití. Cílem je stanovení koncentrací butanolu, kdy dojde k negativním dopadům jeho použití v závislosti na použitém druhu motoru a míře jeho úprav. Tyto byly následně vyhodnoceny a podle možností provedeny úpravy motorů za účelem jejich potlačení a nebo alespoň ke zvýšení použitelné koncentrace butanolu. Dalším očekávaným výsledkem je porovnání jednotlivých izomerů butanolu se zhodnocením vhodnější varianty. Protože standardní testovací procedury spalovacích motorů mnohdy vykazují odlišnosti oproti způsobu reálného použití, bylo upřednostňováno zkoušení motorů za jejich reálného provozu, kde toto bude přínosné. Vzhledem k zaměření pracoviště bude kladen důraz na změny spalovacích procesů v motoru a produkce znečišťujících látek a na úpravy motorů k zajištění bezproblémového provozu při co nejvyšší koncentraci butanolu, přičemž chemické účinky na konstrukční materiály motorů budou upozaděny a omezeny na souhrn poznatků získaných z literatury. Podle možností budou dále vyšetřovány a vyhodnocovány produkce neregulovaných znečišťujících látek. Samozřejmou součástí práce je rovněž široké publikování získaných výsledků. ~ ~
Shrnutí a výběr izomerů a přehled vlastností. Shrnutí a výběr izomerů a přehled vlastností Použití butanolu se, vzhledem k možnostem výroby biologickou cestou, redukuje na n-butanol a isobutanol. V tabulce jsou uvedeny základní vlastnosti benzinu, obou využitelných izomerů butanolu a etanolu. Tabulka : Základní parametry uvažovaných složek paliv Benzin N-butanol Iso-butanol Etanol OČVM, pro alkoholy jako směsné 9 9 96 Hustota [kg m - ] 7 8 86 79 Výhřevnost [MJ kg - ],9,, 6,8 Objemová výhřevnost [MJ dm - ] Skupenské teplo varu [kj kg - ], 7, 6,8 8 76 79 9 Hmotnostní podíl C [%] 86 6 6 Hmotnostní podíl H [%],, Hmotnostní podíl O [%],. Viskozita [mpa s],,8,7,,8 Teplota varu [ C] 8 8 8 78 Teoretická spotřeba vzduchu [-],7 9, Již z tohoto základního přehledu vlastností vyplývá, že výhřevnost a teoretická spotřeba vzduchu jsou pro oba izomery butanolu výrazně bližší benzinu jakožto referenčnímu palivu, než v současnosti používanému etanolu. Vzhledem k výrazně nižšímu hmotnostnímu podílu kyslíku v butanolu lze tento mísit ve větších množstvích s benzinem při dodržení legislativního limitu,7 % kyslíku v palivu pro benziny s nízkým obsahem kyslíkatých látek a,7 % pro benziny s vysokým obsahem kyslíkatých látek. V případě využití iso-butanolu ve větším množství je pak možné využít vyšších kompresních poměrů v motorech a zvýšit tak jejich účinnost. Směsi obsahující n-butanol jsou v této práci řetězcem znaků nbu následovaných číselným vyjádřením objemového podílu butanolu v procentech. Totožný způsob je použit pro iso-butanol, který je uveden písmeny ibu. ~ ~
Rozbor základních vlastností butanolu. Rozbor základních vlastností butanolu Z dříve uvedených vlastností lze vypočítat změny výhřevnosti palivové směsi a teoretické spotřeby vzduchu. Spolu s potřebným nárůstem hmotnostní dávky pro udržení stechiometrického spalování a množství dostupného tepla jsou uvedeny jako obrázek. Obrázek : Porovnání parametrů alkoholových směsí s benzinem Z těchto závislostí je patrný přibližně poloviční pokles teoretické spotřeby vzduchu v případě použití libovolného ze dvou uvažovaných izomerů butanolu v porovnání s etanolem. Obdobná situace nastává pro potřebný nárůst hmotnostní dávky paliva. Vyplývající přibližně poloviční nutné prodloužení délky vstřiku pro shodný objemový podíl alkoholu je hlavní devízou butanolu v porovnání s etanolem. Na následujících obrázcích a jsou uvedeny výsledky zkoušek destilačních křivek (SGS ČR s.r.o., dle ČSN EN ISO a ČSN EN ISO 6) a oktanového čísla výzkumnou metodou. Z těchto vyplývá velmi výrazná deformace snížením podílu snadno odpařitelných složek, která je ale částečně kompenzována snižováním podílu hůře odpařitelné složky. Již z těchto závislostí lze usuzovat na zhoršenou startovatelnost studeného motoru. Využití obou izomerů butanolu vedlo při uvažování deklarovaných nejistot měření ke zhruba lineárnímu nárůstu oktanového čísla a to malému pro n-butanol a výraznému pro iso-butanol, který pak skýtá potenciál k nárůstu kompresního poměru. Teplota [ C] 8 9 6 Benzin, vzorek Benzin, vzorek nbu nbu, vzorek nbu, vzorek nbu, vzorek nbu8 nbu 6 8 Předestilovaný objem [%] Teplota [ C] 8 9 6 Benzin, vzorek Benzin, vzorek ibu ibu, vzorek ibu, vzorek ibu, vzorek ibu8 ibu 6 8 Předestilovaný objem [%] Obrázek : Porovnání destilačních křivek směsných paliv obsahujících n-butanol a iso-butanol Oktanové číslo dle výzkumné metody [-] 8 6 98 96 9 N-butanol Iso-butanol Benzin 6 8 Objemový podíl butanolu [%] Obrázek : Porovnání oktanového čísla směsí obsahujících n-butanol a iso-butanol ~ 6 ~
. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením Všechna tři alkoholová paliva, porovnávaná v této části, vykazují výrazně vyšší viskozitu než v současnosti používaný benzin pro zážehové motory. Toto může zkomplikovat úspěšnou tvorbu směsi, zejména v motorech s přímým vstřikováním. Použití alkoholových paliv je rovněž omezeno jejich účinky na součásti palivového systému. V tomto ohledu se butanol, vzhledem ke své nižší chemické agresivitě, jeví vhodnější než etanol []. Další nevýhodou etanolu je jeho hygroskopické chování, které komplikuje využití stávající distribuční sítě []. Navíc směsi do 6 % iso-butanolu je možné úspěšně a bezpečně skladovat a vydávat za použití stávajícího vybavení, splňujícího současné platné standardy []. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením V této části práce jsou popsány experimenty a jejich výsledky experimentů spalování butanolů a jejich směsí s benzinem v motoru s otevřeným řízením, tj. bez náhodných vlivů způsobených adaptačními a řídícími algoritmy běžných řídicích jednotek motorů. Obecně lze pro jiné použité palivo předpokládat jiný průběh hoření vlivem změněné délky průtahu zážehu a následně rozdílného šíření plamene v porovnání s benzinem. Rešerší dostupné literatury [,] bylo zjištěno rychlejší šíření plamene za stechiometrického složení v klidném prostředí pro iso-butanol a zejména pro n-butanol než pro benzin. Toto však nelze snadno aplikovat na provoz ve spalovacích motorech z důvodu rozvíření palivové směsí a proměnných tlakových a teplotních poměrů. Bylo tedy přikročeno ke zjištění parametrů spalování experimentální cestou s cílem získat náhled na nutnost a míru změny předstihu zážehu, je-li benzin nahrazován butanolem. Řídicí jednotky běžných zážehových motorů, z důvodů prevence klepání, nastavují hodnotu předstihu v závislosti na interní charakteristice korigované podle signálu z piezoelektrického snímače zrychlení. Tímto zanáší do experimentálního spalování libovolného paliva náhodnou proměnnou. Proto bylo využito zkušebního motoru s otevřeným řízením se základními parametry uvedenými v následující tabulce. Brzdové stanoviště bylo vybaveno vířivým dynamometrem, širokopásmovou lambda sondou, termočlánky pro měření teplot výfukových plynů, vysokotlakou indikací a otevřeným řízením motoru. Tabulka : Základní parametry spalovacího motoru s otevřeným řízením Označení motoru Lombardini LGW Počet válců Zdvihový objem [dm ], Vrtání [mm] 7 Zdvih [mm] 6 Kompresní poměr [-] 8,7 Délka ojnice [mm] 7 Tvorba směsi Vícebodová, vnější Chlazení motoru Kapalinové Vstřik paliva Sekvenční. Vliv použití butanolu na průběh hoření a polohu optimálního předstihu Následující tabulka zprostředkovává náhled na důležité parametry zkoušených provozních režimů volené tak, aby pokrývaly širokou provozní oblast motoru. Tabulka : Základní parametry testovaných režimů motoru Slovní označení Úhel škrticí klapky α K [ ] Otáčky n [min - ] IMAP [kpa] Přibližný M peak [Nm] Přibližný IMEP peak [kpa] Nízké zatížení 8 8 -.,8 Nízké zat., zvýšené otáčky -7. 6,8 7 Střední zatížení 8 -. 8 Vysoké zatížení 9 8 -. 77 ~ 7 ~
. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením Na následujících stranách jsou vyobrazeny zjištěné závislosti točivého momentu, středního indikovaného tlaku, vypočtené účinnosti motoru a variability středního indikovaného tlaku s následným přehledem hodnot optimálních předstihů zážehů pro všechna zkoušená paliva a režim nízkého zatížení. Točivý moment [Nm] 6, 6,,, Benzin nbu nbu6 nbu ibu α zopt B nbu, nbu6, nbu 8 ibu, 6 6 Předstih zážehu [ před HÚ] Střední indikovaný tlak [bar],9,8,7,6,,,, Benzin nbu nbu6 nbu ibu α zopt B 7, nbu nbu6, nbu, ibu 6 6 Předstih zážehu [ před HÚ] 6% % Celková účinnost [%] % % % % % 9% 8% Benzin nbu nbu6 nbu ibu α zopt B nbu, nbu6 nbu 9 ibu, 6 6 Předstih zážehu [ před HÚ] Variační koeficient střed. ind. tlaku [%] % 8% 6% % % % 8% 6% % % % α zopt B nbu 8 nbu6 9 nbu - ibu 6 6 Předstih zážehu [ před HÚ] ~ 8 ~ Benzin nbu nbu6 nbu ibu Obrázek Hodnotící kritéria v závislosti na předstihu zážehu za nízkého zatížení V tomto režimu je patrné rychlejší šíření plamene s narůstajícím podílem n-butanolu, které vyústilo v postupné snižování předstihu zážehu, a výrazně menší rozdíl v průběhu hoření mezi benzínem a iso-butanolem. Tento trend byl potvrzen rozborem průběhu hoření pro jednotlivá zkoušená paliva znázorněném na obr..
Předstih zážehu, významné polohy uvolňování tepla [ po HÚ] 8 6 - - Q9 Q9 Q Q Q. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením Benzin nbu nbu6 nbu ibu -6 8 6 Předstih zážehu [ před HÚ] Q9 Předstih zážehu, význačné polohy uvolňování tepla [ za HÚ] 6 - - Q9 Q Q Q Okamžik zážehu Benzin nbu nbu6 nbu ibu -6 Předstih zážehu [ před HÚ] Obrázek : Charakteristické body hoření pro různé koncentrace butanolu za obou režimů nízkého zatížení (dole pro zvýšené otáčky) Obdobná změna průběhu hoření byla zjištěna i pro nízké zatížení za zvýšených otáček, kdy bylo zkrácení průtahu zážehu o něco výraznější jak je patrné z dolního grafu na obr.. Pro vyšší zatížení pak nejsou patrné výraznější změny (zobrazeny pouze analýzy průběhu hoření na obr. 6), které ústí ve velmi malé až zanedbatelné doporučené změny předstihu zážehu v závislosti na koncentraci n-butanolu a pro prakticky shodné chování v případě použití iso-butanolu. Výsledné doporučené změny předstihu pak shrnuje tabulka. Pro střední zatížení bylo paradoxně zjištěno pomalejší dohořívání směsi, je-li přítomen butanol. ~ 9 ~
Předstih zážehu, význačné polohy uvolňování tepla [ za HÚ] 6 - - - - Q9 Q9 Q Q Q Okamžik zážehu. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením Benzin nbu nbu6 nbu ibu - 8 8 8 Předstih zážehu [ před HÚ] Předstih zážehu, význačné polohy uvolňování tepla [ za HÚ] - - - Q9 Q9 Q Q Q - 6 8 6 8 Předstih zážehu [ před HÚ] Obrázek 6: Charakteristické body hoření pro různé koncentrace butanolu za vysokého zatížení Tabulka : Výsledné hodnoty předstihu pro jednotlivá paliva a provozní režimy motoru α zopt Nízké zatížení Nízké zatížení a zvýšené otáčky Střední zatížení Vysoké zatížení Benzin,, 8,, nbu,, 8,, nbu6, 6, 9,, nbu, 6, 8,, ibu, - 8,, ~ ~
. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením. Vliv použití butanolu na teploty výfukových plynů Dále byly pro jednotlivé provozní režimy sledovány teploty výfukových plynů, jakožto důsledek měněného předstihu zážehu a použitého paliva. Protože byla zjištěna závislost průběhu hoření, který ovlivňuje teplotu výfukových plynů, i na použitém palivu, jsou data prezentována v závislosti na okamžiku, kdy je uvolněna polovina tepla. TVP [ C] 68 66 6 6 6 8 6 Válec Benzin nbu nbu6 nbu ibu Válec Poloha % uvolněného tepla [ za HÚ] TVP [ C] 76 7 7 7 7 7 7 69 68 67 Válec Válec Benzin nbu nbu6 nbu ibu Poloha % uvolněného tepla [ za HÚ] TVP [ C] 7 69 68 67 66 6 6 6 6 6 Válec Válec Benzin nbu nbu6 nbu ibu Poloha % uvolněného tepla [ za HÚ] 7 7 7 69 68 67 66 6 6 Poloha % uvolněného tepla [ za HÚ] Obrázek7: Grafy teplot výfukových plynů pro jednotlivá zatížení v závislosti na poloze, kdy byla uvolněna právě polovina tepla (MFB) TVP [ C] Válec Válec Benzin nbu nbu6 nbu ibu Ze zjištěných teplot, vyobrazených graficky na obrázku 7, je patrný pro vyšší zatížení pokles teplot výfukových plynů s narůstajícím podílem n-butanolu a menší efekt iso-butanolu. Pro obě nízká zatížení nebyly zaznamenány konzistentní změny.. Vliv použití butanolu na účinnost třísložkového katalyzátoru Z důvodu ochrany před působením plynných znečišťujících látek na životní prostředí a lidskou populaci je nutné zajistit správnou funkci zařízení pro úpravu výfukových plynů. Současné technické řešení pro spalovací motory spalující stechiometrickou směs spočívá v použití třísložkového katalyzátoru a udržování složení směsi v těsné blízkosti stechiometrického složení pomocí zpětnovazební regulace. Pro zprostředkování této zpětné vazby jsou zpravidla využívány skokové lambda sondy, které neumožňují přesné dodržení stechiometrického poměru paliva a vzduchu, ale pouze oscilaci kolem tohoto složení. Odchylky od stechiometrického složení jsou dále podpořeny obecnou proměnlivostí provozního režimu motoru v průběhu jízdy vozidla. Pro posouzení vlivu paliva na účinnost třísložkového katalyzátoru za různých podmínek byl motor provozován za ustálených podmínek při otáčkách 8 min -, úhlem otevření škrtící klapky ústící v tlak v sacím potrubí 7 kpa, předstihu zážehu před HÚ při výsledném točivém momentu přibližně Nm. Toto spíše nižší zatížení bylo zvoleno z důvodu kompenzace nižšího než obvyklého poměru objemu třísložkového katalyzátoru ke zdvihovému objemu motoru. V případě využití režimů s vyšším tokem výfukových plynů by pak doba byla jejich průchodu třísložkovým katalytickým reaktorem oproti realitě dosti zkrácena ~ ~
. Výsledky experimentů na motoru s otevřeným řízením Benzin za TWC, HC [ppm] nbu za TWC, HC [ppm] 6 7 6 6 7 67 6 6 7 7 69 7 76 -,,,,,, - 7 86 8 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 89 pro stálý λ=,9 -,,,,,, - 8 8 78 pro stálý λ=,9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 nbu6 za TWC, HC [ppm] nbu za TWC, HC [ppm] 8 8 8 9 9 -,,,,,, - 8 7 před λ=,9 po λ=,9 7 pro stálý λ=,9 po ohřátí 7 6 8 6 6 -,,,,,, - 7 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 699 pro stálý λ=,9 ibu za TWC, HC [ppm] Benzín závěrečný za TWC, HC [ppm] 8 6 7 6 6 -,,,,,, - 8 9 6 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 7 pro stálý λ=,9 6 6 7 6 9 7 -,,,,,, - 7 7 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 88 pro stálý λ=,9 Obrázek 8: Koncentrace a redukční účinnost katalyzátoru pro nespálené uhlovodíky (HC) Benzin za TWC, CO [%] nbu za TWC, CO [%],7,8,9,,9,,,,6,7,,,7,,,6,7, -,,,,,, -,,6,6 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9,6,6, nbu6 za TWC, CO [%],6,6,8,,,9 -,, -,,,,,,6,6, po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 pro stálý λ=,9,6,7, ibu za TWC, CO [%],6,8,,,, -,,8 -,,,,,,, po ohřátí před λ=,9 po λ=,9, pro stálý λ=,9 -,,,,,, -,,, po ohřátí před λ=,9 po λ=,9, pro stálý λ=,9,,, nbu za TWC, CO [%],,,6,9,9, -,, -,,,,,,, pro stálý λ=,9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9,8 Benzín závěrečný za TWC, CO [%],8,9,7,9,,,,,8 -,,,,,, -,,,7,7 pro stálý λ=,9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 Obrázek 9: Koncentrace a redukční účinnost katalyzátoru pro oxid uhelnatý Výsledky naznačují zvyšující se účinnost odstraňování nespálených uhlovodíků třícestným katalytickým reaktorem a snižující se citlivost na velikost oscilací okolo stechiometrického složení směsi při užití n-butanolu (obr. 8). Obdobná situace nastává i pro oxid uhelnatý. Avšak pro iso-butanol byl zaznamenán u oxidu uhelnatého zaznamenán mírný nárůst koncentrace (obr. 9). ~ ~
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru Benzin za TWC, NOx [ppm] nbu za TWC, NO x [ppm] 8 8 -,,,,,, - 9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 7 pro stálý λ=,9 -,,,,,, - pro stálý λ=,9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 nbu6 za TWC, NO x [ppm] nbu za TWC, NO x [ppm] 8 6 6 8 8 9 9 8 -,,,,,, - po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 pro stálý λ=,9 -,,,,,, - pro stálý λ=,9 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 ibu za TWC, NO x [ppm] Benzín závěrečný za TWC, NOx [ppm] 9 7 6 6 6 -,,,,,, - 7 po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 pro stálý λ=,9 -,,,,,, - po ohřátí před λ=,9 po λ=,9 7 pro stálý λ=,9 Obrázek : Koncentrace a redukční účinnost katalyzátoru pro oxidy dusíku (NO) Obdobná situace nastala pro redukce oxidů dusíku, kdy pro n-butanol byly zaznamenávány pouze malé odchylky v rámci statistické chyby, avšak pro iso-butanol byly zjištěny prokazatelné nárůsty pro režim ustáleného stechiometrického složení. Nutno však dodat, že předmětem těchto nezanedbatelných změn byly hodnoty pod ppm. 6 Výsledky experimentů na vozidlovém motoru Z výsledků získaných v průběhu vyšetřování spalování obou izomerů butanolu vyplývá, že není zapotřebí výrazných úprav parametrů pro řízení spalování. Potřebná prodloužení délek vstřikovacích pulsů byla, alespoň pro nižší koncentrace butanolu, předpokládána jako akceptovatelná a při zachování nezměněného předstihu zážehu bylo možné očekávat spalování bez negativních jevů. Experimenty byly provedeny na motoru s vícebodovým vstřikem paliva s parametry uvedenými v tabulce č., jehož nejrůznější verze jsou v současné době ve velkých počtech používány na nejen českých silnicích nejčastěji k pohonu vozu Škoda Fabia. Tabulka : Základní parametry zkoušeného motoru Kód motoru (VW standard) CGP Označení motoru Škoda. HTP Zdvihový objem [dm ] Průměr vrtání [mm] 76, Délka zdvihu [mm] 86,9 Kompresní poměr [-], Jmenovitý výkon [kw] při min - Verze ŘJ SIMOS. Pořadí zapalování Druh rozvodu DOHC Počet ventilů na válec Sestava provozních režimů motoru byla navržena tak, aby pokrývala celou provozní oblast motoru včetně neobvyklých režimů. Sestávala se celkem ze třinácti ustálených, přibližně čtyřminutových bodů se zprůměrováním hodnot pro poslední minutu včetně kontroly ustálenosti dosaženého stavu. Ve své podstatě se skládala ze tří zatěžovacích charakteristik při, a min - s krokem zatížení ~ ~
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru % a volnoběhu, kdy jako základní hodnoty maximálního dostupného točivého momentu byly použity výsledky pro benzin. Před každým cyklem byl z důvodu zajištění adaptace řídicí jednotky motoru proveden ještě tzv. adaptační test se shodnými provozními režimy omezenými na dobu dvou minut. Pro zvýšení pravděpodobnosti úspěšné adaptace byla jednotlivá paliva testována tak, aby koncentrace butanolu buď postupně narůstala, nebo postupně klesala. 6. Popis adaptace řídicí jednotky motoru Prvním předpokladem úspěšného nasazení jakéhokoliv paliva s odlišnou energetickou hustotou než u benzinu je změna délek aktivačního pulsu vstřikovače, a tím zajištění nezměněné bohatosti směsi. Jak je patrné z následujícího obrázku, řídicí jednotka byla schopna na základě zpětné vazby zprostředkované snímačem bohatosti směsi na tuto změnu reagovat a zachovat tak stechiometrické složení ve všech testovaných režimech, kde bylo využíváno při provozu na benzin. Na základě nutného prodloužení vstřiků byla navíc schopna prodloužit vstřiky i pro režimy s řízeným obohacením a nevyužívající tedy zpětnovazební regulaci bohatosti směsi. Pomocí této korekce byla jednotka schopna udržet minimální změny bohatosti směsi při všech plných zatíženích. Při min - však za částečných zatíženích docházelo k posunu bohatosti směsi směrem k chudšímu složení. Pro tříčtvrtinové a poloviční zatížení je tato změna malá a kromě provozu na čistý butanol konzistentní s nárůstem koncentrace butanolu. Z řady však vystupují oba čisté butanoly, kdy byly zaznamenány bohatosti obdobné benzinovým, avšak 8% koncentrace vykazovaly za nízkých zatížení přebytku paliva, někdy došlo až ke spalování chudé směsi. Dlužno dodat, že režimy nízkého zatížení za vysokých otáček jsou velmi neobvyklé a pokud nastanou, nemají dlouhého trvání.,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro BA9,8,889,9,87,,,6,,87,9,9,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro nbu,,9,,,,886,86,9,96,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro ibu,6,9,,,88,,998,87,88,9,999,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro nbu8,9,99,,,9,999,,89,96,988,999,6,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro ibu8,,9,,87,,997,869,97,969,,,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro nbu,8,9,,,,9,997,998,87,88,9,999,97,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro ibu,9,9,,,89,998,99 ~ ~,8,876,98,999,99,,8,6,,, Charakteristika λ poměru pro BA9,,96,,,,89,,,87,86,89,,97 Obrázek : Bohatosti směsí pro jednotlivé kombinace provozního režimu a paliva
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru Popsaného převládajícího zachování bohatosti směsi bylo dosaženo prodloužením délky aktivačního pulsu vstřikovače řídicí jednotkou motoru. Délky vstřiků pro jednotlivá paliva znázorňují grafy označené jako obrázek. Například při porovnání dob aktivací vstřikovacího ventilu v režimu tříčtvrtinového zatížení při min - při provozu na benzin (, ms) a na čistý butanol (,6 ms) dojdeme k závěru, že oproti benzinu byla aktivní doba vstřiku, tj. po odečtení nevyužité aktivační doby, ms, prodloužena o,9 %. Toto zjištění je v dobré shodě s predikovaným prodloužením v kapitole 7. Délka pulsu vstřikovače [ms] pro BA9,,8,6,,,,,8,6,,,,7 6,,9 6,8, 7,,, 8,,,7 8,7,,,8,6,,,,,8,6,,, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro nbu, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro nbu8, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro nbu, 7,, 8,8,6 9,8,6 9,7 9, 6,7 8,, 8,7,, 9,,9 8,,8 7,7, 8,,, 8,7,, 9,,6,7 9, 6,,9,, 6, 6,,,8,6,,,,,8,6,,,,,8,6,,, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro ibu,8 Délka pulsu vstřikovače [ms] pro ibu8, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro ibu, 8,, 9,,6,,6 9,9 8,9 6, 8,,8 8,7,,8 9,,8 7,8, 7,9, 8,,, 8,7,, 9,,6,6 9, 6,,,, 6, 6,,,8,6,,, Délka pulsu vstřikovače [ms] pro Ba9,6 6,8, 7,,6 7,6,, 8,,9,9 8,8, Obrázek: Délky aktivace vstřikovacího ventilu pro jednotlivé režimy motoru a paliva ~ ~
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru 6. Vliv butanolu na průběh hoření Při dodržení bohatosti směsi přizpůsobením doby aktivace vstřikovače pak výsledný točivý moment motoru závisí zejména na průběhu uvolňování tepla, který je odvislý mimo jiné od předstihu zážehu a rychlosti šíření plamene, kde oba jmenované parametry mohou být ovlivněné použitým palivem. Na grafech označených jako obrázky až jsou zobrazeny předstihy zážehu použité řídicí jednotkou motoru pro jednotlivé provozní režimy a paliva. Z výsledků vyplývá pro režimy se zpětnovazební regulací bohatosti směsi, že až na několik výjimek řídicí jednotka motoru neupravovala předstih zážehu podle použitého paliva a v rámci jednoho provozního režimu je rozdíl mezi největším a nejmenším předstihem zpravidla maximálně jeden stupeň pootočení klikového hřídele. Na následujících grafech jsou znázorněny okamžiky předstihů zážehu a charakteristických bodů hoření včetně znázornění variability jednotlivých veličin vyjádřením střední směrodatné odchylky. Pro zajištění lepší čitelnosti jsou značky středních směrodatných odchylek oproti bodům datových řad posunuty, přičemž polohy vlastních datových bodů jsou zachovány. Za referenční provoz je považováno úvodní spalování benzinu (BA9, černá plná čára), dále je vyobrazen benzin s odlišným oktanovým číslem (BA98, šedá čára) a jako poslední z prováděných experimentů byl zařazen opět běžný benzin (BA9 ověřovací, černá přerušovaná čára). Pro oba benziny zkoušené před využitím butanolových směsí byla zjištěna téměř konstantní poloha poloviny uvolněného tepla za otáček za minutu (7, za HÚ) s výjimkou závěrečného spalování benzinu, kde byl předstih zážehu snižován s narůstajícím zatížením. Pro otáček za minutu bylo při polovičním a zejména % zatížení zjištěno při minimálním zvýšení předstihu zážehu dřívější dosažení porovnávaných bodů uvolnění tepla s konzistentně s narůstajícím podílem n-butanolu. Předstih zážehu, charakteristické body hoření [ ]. 6 8-8 -6 - - Porovnání benzinů a směsí s n-butanolem pro min - 9% uvolněného tepla % uvolněného tepla % uvolněného tepla % uvolněného tepla BA9 BA98 nbu nbu nbu8 nbu Ba9 ověřovací Okamžik zážehu 7 Relativní zatížení motoru [%] Obrázek : Porovnání okamžiků zážehu a význačných bodů hoření pro benzin a jeho směsi s n-butanolem při min - Zatížení v úrovni 7 % točivého momentu vzhledem k maximu dostupnému při spalování benzinu nepřineslo žádnou změnu v závislosti na koncentraci n-butanolu. Při plně otevřené klapce pak řídicí jednotka výrazně měnila předstih zážehu bez návaznosti na koncentraci n-butanolu. Průběh hoření pro paliva s prakticky nezměněným předstihem zážehu (BA9, BA98, nbu6 a nbu) nepřinesl viditelné změny v průběhu hoření. Z tohoto lze vyvozovat, že u vyšších zatížení nepůsobí n-butanol urychlení uvolňování tepla. ~ 6 ~
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru V případě iso-butanolu byly pozorovány výrazně menší rozdíly. Pro poloviční a čtvrtinové zatížení při velmi malém navýšení předstihu zážehu bylo pozorováno převládající dosažení, a % uvolněného tepla přibližně o pootočení klikového hřídele dříve, aniž by trend následoval koncentraci n-butanolu. Nicméně ve světle obecné variability spalovacího procesu v zážehovém motoru se jedná o zanedbatelný rozdíl. Předstih zážehu, charakteristické body hoření [ ]. 6 8-8 -6 - - Porovnání benzinů a směsí s iso-butanolem pro min - 9% uvolněného tepla % uvolněného tepla % uvolněného tepla % uvolněného tepla BA9 BA98 ibu ibu ibu8 nbu BA9 ověřovací Okamžik zážehu 7 Relativní zatížení motoru [%] Obrázek : Porovnání okamžiků zážehu a význačných bodů hoření pro benzin a jeho směsi s iso-butanolem při min - Ve výše uvedených případech chybové úsečky znázorňují střední směrodatnou odchylku veličiny. Pro vyšší otáčky byly detekovány výrazně nižší odchylky v průběhu spalování při náhradě benzinu n-butanolem a ještě nižší změny nastávají při využití iso-butanolu (data nezobrazena). Dále byla vyhodnocena variabilita středního indikovaného tlaku. Výsledky ukazují, že variabilita spalovacího procesu není ovlivněna množstvím přidaného butanolu, a to navzdory několika výskytům výrazného nárůstu variability středního indikovaného tlaku (obr. ). Celkově výsledky naznačují možný mírný nárůst variability spalovacího procesu při využití butanolu při čtvrtinovém zatížení a žádnou další změnu pro ostatní zatížení bez ohledu na otáčky. U teplot výfukových plynů byl zaznamenán pokles teploty, je-li spalován libovolný izomer butanolu, pokles však nebyl úplně konzistentní s nárůstem objemového podílu butanolu (obr. 6). Obdobné mírné poklesy byly zjištěny pro teploty vložky katalytického reaktoru (data nezobrazena). Popsané změny mají pozitivní vliv na tepelné namáhání dílů motoru vystavených a třícestného katalyzátoru a jeho životnost. Dále byly infračerveným analyzátorem s Fourierovou transformací (FTIR, Midac I8-E, optická délka, m, rozlišení, cm - ) vyšetřovány koncentrace neregulovaných škodlivých plynných znečišťujících látek. U sledovaných aldehydů, tj. acetaldehydu a formaldehydu, byly zaznamenány velmi nízké koncentrace do ppm bez viditelného vlivu použitého izomeru butanolu a jeho koncentrace, a to i při režimech se záměrným obohacením směsi. Pro čpavek pak byly při režimech s využitím obohacené směsi zjištěny porovnatelné koncentrace opět bez vlivu použitého paliva. ~ 7 ~
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru Max. tlak a variabilita stř. ind. tlaku pro % zatížení,% Max. tlak a variabilita stř. ind. tlaku pro % zatížení,% Maximální tlak [bar].,6%,%,%,8% BA9 BA98 % nbu nbu nbu8 ibu nbu ibu,6% ibu8 ibu Ba9 závěrečný,% Otáčky motoru [min - ] Variační koef. stř. ind. tlaku [%]. Maximální tlak [bar]. BA9 nbu nbu8 ibu ibu8 Ba9 závěrečný BA98 nbu nbu ibu ibu,%,%,%,%,% Otáčky motoru [min - ] Variační koef. stř. ind. tlaku [%]. 7 Max. tlak a variabilita stř. ind. tlaku pro 7% zatížení,% 9 Max. tlak a variabilita stř. ind. tlaku pro plné zatížení,% Maximální tlak [bar]. 6 BA9 nbu nbu8 ibu ibu8 Ba9 závěrečný BA98 nbu nbu ibu ibu 8,6%,%,%,8% %,6% Variační koef. stř. ind. tlaku [%]. Maximální tlak [bar]. 7 6 BA9 nbu nbu8 ibu ibu8 Ba9 závěrečný BA98 nbu nbu ibu ibu,%,%,%,%,%,%,%,% Variační koef. stř. ind. tlaku [%].,% Otáčky motoru [min - ],% Otáčky motoru [min - ] Obrázek : Porovnání maximálního tlaku a variability středního indikovaného tlaku pro jednotlivá paliva a relativní zatížení,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro BA9 78 697 89 676 6 8 78 78 6 8 8 78,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro nbu 9 7 67 69 77 77 7 8 8 8 6 777,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro ibu 67 66 66 76 76 7 8 8 8 6 767,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro nbu8 67 6 99 77 7 7 8 8 88 6 79,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro ibu8 7 666 68 6 6 7 79 77 89 89 8 66 7,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro nbu 68 6 6 6 77 7 7 8 796 788 66 7,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro ibu 8 666 66 69 77 79 79 ~ 8 ~ 87 87 799 6 76,,8,6,,, Teplota výfuk. plynů [ C] pro BA9 79 68 66 9 8 79 7 88 8 8 6 767 Obrázek 6: Porovnání teplot výfukových plynů pro jednotlivá paliva a provozní režimy motoru
6. Výsledky experimentů na vozidlovém motoru Pro nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý nebyly zaznamenány výraznější změny v jejich koncentraci ve výfukových plynech. Odlišná situace však nastává pro oxidy dusíku. Koncentrace NO x [ppm] pro BA9,,8,6,,, 7,,8,6,,, Koncentrace NO x [ppm] pro nbu 9 69 6 8 8 7 n [min - ],,8,6,,, Koncentrace NO x [ppm] pro ibu 6 9 9 6 8 8 8,,8,6,,, Koncentrace NO x [ppm] pro nbu8 9 7 77 7 n [min - ],,8,6,,, Koncentrace NO x [ppm] pro ibu8 7 6 8 8 8 768 n [min - ] Koncentrace NO x [ppm] pro nbu,,8 8,6, 9,, Koncentrace NO x [ppm] pro ibu 7,,8 7 9,6 6 6, 9 7 7,,,,8,6,,, Koncentrace NO x [ppm] pro BA9 6 7 8 7 8 99 Obrázek 7: Porovnání koncentrací oxidů dusíku ve výfukových plynech Koncentrace NO [ppm], 8, 6,,,, 8, 6,,, Benzin ibu nbu Benzin uzavírací, 6 8 Objemový podíl butanolu [%] Obrázek 8: Koncentrace NO při relativním zatížení 7 % při min - v závislosti na koncentraci butanolu Pro několik kombinací koncentrace butanolu byl zaznamenán takřka řádový nárůst koncentrace, přičemž bohatost směsi zůstala nezměněna (obr. a 7). Rozborem zaznamenaných dat byla zjištěna odlišná perioda oscilací bohatosti směsi. Při opakovaném testu se záznamem signálu ze skokové lambda sondy motoru však nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi jednotlivými palivy (obr. 8). ~ 9 ~
7. Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí 6. Porovnání výkonových parametrů Pro režimy plného zatížení byl udržen přebytek paliva a zpravidla nedošlo k velkým změnám v předstihu zážehu, a v důsledku toho i k výrazným odchylkám parametrů hoření, proto není překvapivá pouze minimální a zanedbatelná změna maximálního točivého momentu v závislosti na otáčkách prezentovaná na obr. 9. Točivý moment [Nm] 9 9 8 8 BA9 BA98 nbu nbu nbu8 nbu 6 otáčky motoru [min - ] Točivý moment [Nm] ~ ~ 9 9 8 8 BA9 BA98 ibu ibu ibu8 ibu 6 otáčky motoru [min - ] Obrázek 9: Porovnání maximálního točivého momentu motoru při použití různých paliv Výsledky naznačují malé rozdíly mezi spalováním čistého benzinu a jeho směsí s butanolem. Díky velkoryse nastaveným adaptačním mezím řídicí jednotky bylo možné dokonce spalovat čistý butanol bez úpravy motoru. Největší překážkou tak zůstává startovatelnost studeného motoru. Zhoršená startovatelnost se projevila již při koncentracích butanolu % (V/V), studený motor nebylo možné bez přídavného vstřiku benzinu do sacího potrubí nastartovat již při použití % (V/V) butanolu. Startování prohřátého motoru nečinilo potíže při libovolné koncentraci butanolu. 7 Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí Předchozí výsledky ukazují, že běžný zážehový motor v ohřátém stavu je schopen spalovat benzin-butanolové směsi i oba čisté izomery butanolu. Největší potíž představoval start studeného motoru a jeho alespoň částečný ohřev při spalování směsí obsahujících větší koncentrace butanolu. Zároveň nebylo možné provést modifikace motorů vozidel, zajišťující start motoru a jeho provoz po dobu několika následujících minut za účelem jeho ohřevu při využití jiného paliva. Z tohoto důvodu byla vozidla testována pouze s ohřátým motorem. Dále by nutnost dokonalého prochlazení motoru neúměrně prodlužovala délku testů. Cílem této časti práce bylo vyšetřit vliv použití benzin-butanolových směsí na provoz zážehových spalovacích motorů při nejčastějším způsobu jejich využití, tedy pohonu vozidla. Vyhodnocovány byly zejména parametry adaptace na palivo s jinou výhřevností a dále produkce plynných regulovaných znečišťujících látek. Jízdní trasa byla volena tak, aby obsahovala široké spektrum provozních režimů motoru. U vozidel s vnější tvorbou palivové směsi bylo využito sítě pozemních komunikací v okolí Liberce, vyznačující se výrazným stoupáním s množstvím zatáček, dlouhým klesáním i úseky s běžným městským provozem. Tímto je zajištěno pokrytí širokého spektra provozních režimů motoru od nízkých zatížení po zatížení vysoká včetně jejich přechodů. U všech zkoušených vozidel byla v průběhu jízd vyčítána diagnostická data (aktuální otáčky motoru, tlak v sání, doba aktivace vstřikovače a bylo-li to možné, i aktuální rychlost). Dále bylo přenosným analyzátorem v průběhu všech jízd vyhodnocováno aktuální složení výfukových plynů za využití přenosného analyzátoru výfukových plynů standardu BAR-97 (NDIR princip pro HC, CO a CO ) a chemických článků pro NO [6, 7].
7. Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí Pro stanovení celkové produkce sledovaných plynných znečišťujících látek bylo zapotřebí pro každý okamžik stanovit okamžitý tok výfukových plynů. Okamžitý molární průtok výfukových plynů lze stanovit jako součin koeficientu molární expanze a molárního toku nasávaného vzduchu. Obecně se koeficient molární expanze mění v závislosti na palivu a na složení výfukových plynů. Protože se koeficient molární expanze při dokonalém teoretickém spalování v rozsahu od bohatosti směsi, po,8 zvýší z hodnoty přibližně, na,7, nedojde k podstatnému zkreslení, pokud bude ponechána výchozí hodnota pro stechiometrické složení směsi. Okamžitý molární tok nasávaného vzduchu byl určen pomocí tzv. speed-density method [8]. Tento způsob, využívající závislosti (), dobře aproximuje aktuální tok nasávaného vzduchu v celém rozsahu pracovní oblasti motoru bez recirkulace výfukových plynů. patm n VZ vol ps n 6 VZD R TS V předchozím vztahu V z značí zdvihový objem motoru, η vol dopravní účinnost motoru (použito,9), p s tlak v sacím potrubí, p atm atmosféricky tlak, ε kompresní poměr motoru, n otáčky motoru, R univerzální plynovou konstantu a konečně T s termodynamickou teplotu nasávaného vzduchu v sacím potrubí motoru. Pomocí zjištěných okamžitých koncentrací sledovaných látek a jejich molárních hmotností byla stanovena nejprve jejich okamžitá produkce a následně i jejich kumulovaná produkce za jedno projetí zkušebního okruhu. Obecně je jakékoliv měření a zejména vyšetřování produkovaných emisí plynných látek zatíženo nemalou variabilitou, zejména jsou-li zkušební jízdy prováděny za reálného provozu, kdy dochází k ovlivnění ostatními účastníky silničního provozu. Pro zajištění možnosti posoudit ze statistického hlediska změny v produkovaném množství sledovaných látek bylo nutné každý jízdní cyklus několikrát opakovat. Dále kvůli spotřebování uloženého paliva z předchozích jízd v palivovém systému a adaptaci řídicí jednotky motoru na vlastnosti nového paliva bylo první projetí každého cyklu na konkrétní palivo považováno za nevypovídající a odstraněné z vyhodnocovaného souboru jízd. Všechny zkušební jízdy vozidel s vnější tvorbou směsi byly prováděny za okolní teploty vzduchu v rozsahu až + C. Výběr testovaných vozidel byl proveden se záměrem pokrytí aktuálního vozového parku v České republice od starších vozidel, jejichž technologie přípravy směsi je považována za zastaralou, až po aktuální, následující trendy z hlediska produkce skleníkových plynů a znečišťujících látek. Základní parametry vozidel, jejichž motory využívaly vnější tvorbu směsi shrnuje tabulka 6. Tabulka 6: Základní parametry vozidel využívajícího motoru s vnější tvorbou směsi Označení motoru Škoda 6B Škoda. HTP (BME) Škoda,6 MPI(BSE) Počet válců Zdvihový objem [dm ].89.98,9 Vrtání [mm] 7. 76, 8 Zdvih [mm] 7 86,9 77, Kompresní poměr [-],:, Jmenovitý výkon [kw] při min - 7 při min - 7 při 6 min - Maximální točivý moment [Nm] při 7 min - při min - 8 při 8 min - Pořadí zapalování Počet ventilů na válec Druh rozvodu OHC DOHC OHC Tvorba směsi SPI MPI, Simos PE MPI Emisní standard EURO EURO EURO Rok výroby 996 6 Pohotovostní hmotnost [kg] 96 ~ ~
7. Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí 7. Výsledky jízdních zkoušek vozidla s jednobodovým vstřikem paliva Prvním a nejstarším testovaným vozidlem byla Škoda Felicia Combi s nájezdem v době testu cca tisíc kilometrů. Jako jediné z testovaných vozidel bylo toto vybaveno jednobodovým vstřikováním, které vyžaduje vyhřívané vedení plnicího vzduchu. Z tohoto důvodu byla u tohoto uspořádání očekávána nejvyšší citlivost na charakteristické body destilační křivky. U tohoto vozidla byly provedeny jízdy, kdy byl nejprve spalován benzin, následně směsi s oběma izomery butanolu o koncentracích, a 8 %. Následně bylo provedena sada jízd s využitím zimní varianty směsi benzinu s etanolem označené jako E8. Tato byla získána od maloobchodního prodejce (ETK, provozovna Liberec) a z vyšetření pomocí FTIR vyplynula koncentrace v rozsahu 7 7 % (V/V) etanolu. Následovala opět sada jízd na benzin pro ověření nezměněných charakteristik provozu motoru. Prvním předpokladem správné funkce motoru a systému pro úpravu výfukových plynů je zachování nezměněné bohatosti směsi, která je spalována ve válcích motoru. Tohoto je docíleno prodloužením aktivace vstřikovače na základě zpětné vazby zprostředkované skokovou lambda sondou. Pro posouzení úspěšnosti adaptace byla vyhodnocena relativní četnost výskytu okamžitého součinitele přebytku vzduchu směsi snímaného snímačem bohatosti směsi a v průběhu jízd vyčítaná přes diagnostické rozhraní řídicí jednotky motoru. Z výsledků je jasně patrné, že při provozu na benzin charakter četnosti bohatosti směsi odpovídá normálnímu rozdělení se střední hodnotou velmi blízko stechiometrickému složení. Dále je patrná velmi dobrá shoda pro jízdy na benzin před a po zkouškách butanolových směsí. Pro koncentrace obou izomerů butanolu nepřesahující % v palivové směsi nebyl zaznamenán rozdíl v rozložení bohatosti směsi, data nejsou proto zobrazena. Délka aktivace vstřikovače [ms]. 7 6 Benzin vs. nbu8,,,,, - - - - - - Odchylka bohatosti od stechiometrického poměru [%] Délka aktivace vstřikovače [ms]. 7 6 Benzin vs. ibu8,,,,, - - - Odchylka bohatosti od stechiometrického poměru [%] Relativní četnost,,,,8,6,, Benzin vs. nbu8 Relativní četnost,,,,8,6,, Benzin vs. ibu8 - - - Odchylka bohatosti od stechiometrického poměru [%] ~ ~ - - - Odchylka bohatosti od stechiometrického poměru [%] Obrázek : Porovnání četností bohatostí směsi pro benzin a směsi s 8 % butanolu Pro směsi s 8 % butanolu je však patrný jasný posun směrem k chudším směsím a nárůst rozptylu bohatostí směsi (obr. ). Dokonce byl v průběhu jízd pro ibu8 zaznamenán případ jednoho vynechání zážehu směsi. Tento jev lze vysvětlit posunem destilační křivky k vyšším teplotám vlivem vyšší teploty varu butanolu a snížením podílu paliva odpařeného při nižších teplotách, jak vyplývá z destilačních křivek na obr.. Výše vyobrazené závislosti četnosti součinitele přebytku vzduchu naznačují o něco málo výraznější rozptyl pro směs obsahující n-butanol v porovnání s iso-butanolem, což je ve shodě s jeho vyšší teplotou varu. Pro směs E8 byl rovněž zjištěn rozptyl i posun bohatostí náplně válce, a to přibližně poloviční
7. Výsledky jízdních zkoušek při využití benzin-butanolových směsí v porovnání se směsmi obsahujícími 8 % butanolu, což je v souladu s výše vyslovenou hypotézou. Výše popsané vlivy vyústily v absenci nežádoucího zvýšení plynných znečišťujících látek, pokud se objemová koncentrace libovolného z butanolů pohybovala do % včetně. U směsí obsahujících 8 % butanolu došlo vlivem oscilací a celkového ochuzení směsi k velmi výraznému zhoršení účinnosti třísložkového katalyzátoru pro oxidy dusíku. Na druhou stranu je nutné poznamenat, že zvýšené hodnoty produkce oxidů dusíku jsou vlivem použití E8 obdobné jako u vozidel se vznětovým motorem, plnících novější emisní limity než testované vozidlo [9]. V tomto případě lze očekávat i výrazný nárůst produkce nespálených uhlovodíků, které při častějším přechodném spalování směsi s přebytkem paliva není možné odstranit v třísložkovém katalytickém reaktoru. Změna trendu produkce nespálených uhlovodíků při dosažení 8 % butanolu tomuto odpovídá, přičemž předchozí pokles je pravděpodobně způsoben spíše sníženou citlivostí infračerveného analyzátoru na uhlovodíky vzniklé spalováním butanolu. Snížená citlivost na nespálené uhlovodíky se ještě výrazněji projevila u etanolové směsi, která dále vykazovala nejvyšší snížení produkce oxidu uhelnatého za cenu citelného nárůstu vypuštěného množství oxidů dusíku (obr. ). 6,9 Měrná produkce CO [g km - ] CO NOx,7,6,,, Měrná produkce NOx [g km - ] Benzin ibu nbu ibu nbu ibu8 nbu8 E8 Benzin Obrázek : Porovnáni produkce oxidu uhelnatého a oxidu dusnatého napříč palivy Pro vyšší koncentrace butanolu, tedy 8 % a částečně %, byla pozorována zhoršená startovatelnost studeného motoru. Toto vyplývá ze zhoršené odpařitelnosti obou izomerů butanolu, a tím i nižšímu množství odpařeného paliva a následně pak nižší pravděpodobnost zapálení svíčkou. Dále v části úseku I testovacího okruhu maximální točivý moment při zařazeném třetím rychlostním stupni právě pokrýval jízdní odpory. Pro směsi s nadpoloviční koncentrací libovolného alkoholu v palivu byl v tomto úseku detekován uživatelsky zaznamenatelný pokles točivého momentu. 7. Výsledky provozu vozidla s vícebodovým vstřikem paliva Druhým testovaným vozidlem byla Škoda Fabia s vícebodovým vstřikem, která poněkud lépe odpovídá současné situaci ve vozovém parku, rovněž s nájezdem cca tisíc km. Vozidlo bylo provozováno po shodné trase s identickým měřicím vybavením jako vozidlo s jednobodovým vstřikem. Vzhledem k důslednější optimalizaci startovacího procesu s cílem minimalizovat produkci nespálených uhlovodíků bylo řídicí jednotkou vstřikováno při studeném startu motoru pouze takové množství benzinu, aby byl motor spolehlivě spuštěn. Při náhradě části benzinu hůře odpařitelným palivem množství odpařeného paliva od koncentrace % butanolu nepostačovalo ke spuštění motoru a pro % trvalo nastartování několik otáček motoru. Zde je patrný výrazný a překvapivý posun k bohatším směsím pro butanolové směsi, zejména pro ibu. Menší posun k bohatším směsím byl zjištěn v případě směsí s % butanolu, kdy je charakteristika rozložena téměř symetricky okolo stechiometrického složení směsi. Rovněž byla zvýšena pravděpodobnost vytvoření směsi s bohatostí,8 či vyšší (na obr. označeno červeným zakroužkováním). Z analýzy dat vyplynulo, že většina těchto případů nastala po sjezdu z dlouhého klesání, kdy byl motor až na několik velmi krátkých okamžiků protáčen. Toto je přičítáno ochlazení sacího kanálu a ventilů při tomto delším protáčení. Oproti motoru s jednobodovým vstřikem je ~ ~