Optimalizace parametrů vozidlového motoru

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Optimalizace parametrů vozidlového motoru Disertační práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Ing. Marek Žák Brno 2014

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem disertační práci na téma Optimalizace parametrů vozidlového motoru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Disertační práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího disertační práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis autora.

PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu disertační práce panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za odborné vedení a cenné rady a věcné připomínky, které mi během řešení disertační práce poskytnul. Dále bych chtěl poděkovat doc. Ing. Jiřímu Čuperovi Ph.D., doc. Ing. Martinu Fajmanovi Ph.D. a Ing. Jiřímu Kubínovi za pomoc při přípravě a realizaci experimentálních měření. Za morální podporu bych chtěl též poděkovat své manželce Mgr. Lence Žákové.

ABSTRAKT Tato disertační práce se zabývá problematikou spalovacích motorů motorových vozidel, schopných spalovat více paliv. Práce objasňuje principy funkce a konstrukce takových systémů a zaměřuje se na systémy spalující lihobenzinové směsi. Problematika je zde prezentována nejen z hlediska technického a funkčního řešení systémů, ale i z hlediska legislativního, ekonomického, ekologického a bezpečnostního. V práci jsou prezentovány metody detekce obsahu etanolu v lihobenzinové směsi, jejich výhody a nevýhody vzhledem k výše popsaným hlediskům. Je zde prezentována nám dosud neznámá metoda detekce etanolu v benzínu založená na měření indexu lomu světla dané směsi paliva. Metoda je detailně popsána a její platnost experimentálně ověřena na komerčních palivech dostupných na českém trhu. Experimentální část práce obsahuje také návrh řídících algoritmů motoru používajících tuto metodu detekce paliva. Funkčnost navržených algoritmů byla ověřena měřením na motorové zkušebně. Jak z výsledků práce vyplývá je navržené řešení flex-fuel (FF) systému funkční a spolehlivější oproti stávajícím nejrozšířenějším systémům. Klíčová slova: etanol, flex-fuel, index lomu, refrakce

ABSTRACT The thesis deals with internal combustion engines (ICE) that are able to burn more types of fuels. It clarifies the principles of function and construction of such systems with special attention to flex-fuel systems. The issue is being presented not only from the technical and functional solution point of view, but also with regard to its legislative, economical, ecological and safety demands. Ethanol detection methods in ethanol-gasoline blend, their advantages and disadvantages concerning the above mentioned viewpoints are being presented in this thesis. Furthermore, a new method of ethanol in fuel mixture detection, which has not been known to us before, is being introduced. This method is based on fuel mixture refraction index measurement and is described in detail in this thesis. The method was verified by experiments carried out on commercially available fuel blends in the Czech market. The experimental part of this thesis also includes the design of ICE driving algorithms using this fuel detection method. Correctness of the designed algorithms has been verified by measuring on the engine dynamometer. The results of the thesis show that the designed flex-fuel system solution works well and is even more reliable than contemporary systems usually used. Key words: ethanol, flex-fuel, RI, refraction

1. ÚVOD... 9 2. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY... 12 2.1. Emisní předpisy pro motorová vozidla... 12 2.2. Obnovitelné zdroje energie a biopaliva... 16 2.2.1. Legislativa EU... 16 2.2.2. Legislativa v ČR... 17 2.2.3. Paliva na českém trhu... 18 2.3. Alternativní pohony a paliva... 19 2.3.1. Alternativní pohony... 19 2.3.2. Alternativní paliva... 22 2.3.3. Biopaliva... 24 2.4. Vliv spalování bioetanolu na zážehový motor vozidla... 27 2.4.1. Vliv etanolu na zážehový motor... 27 2.4.2. Vliv použití etanolu na provozní režim spalovacího motoru... 30 2.5. Konstrukční řešení a metody řízení FFV motorů... 30 2.5.1. Řízení zážehového spalovacího motoru... 31 2.5.2. FFV řízené metodou AFR uzavřené smyčky... 34 2.5.2.1. Technické varianty FFV s řízením pomocí EGO senzoru... 35 2.5.3. Detekce etanolu z průběhu hoření... 35 2.5.4. Určení paliva na základě elektrických vlastností... 36 3. Cíl práce... 37 4. Elektrické vlastnosti - materiál a metodika... 38 4.1. Vybíjecí charakteristika... 39 4.2. Konduktometrie... 40 4.3. Zařízení pro měření elektrických vlastností... 41 4.3.1. NI ELVIS... 41 4.3.2. Osciloskop... 42 4.3.3. Použité sondy... 43 4.3.3.1. Koaxiální sonda neizolovaná... 43 4.3.3.2. Koaxiální sonda izolovaná... 44 4.3.3.3. Desková sonda izolovaná... 45 4.3.4. Směsi paliva vzorky pro měření elektrických vlastností... 46 4.3.5. Metoda vyhodnocení konduktometrie... 47 5. Výsledky měření elektrických vlastností... 48

5.1. Koaxiální sonda a stejnosměrné napětí... 48 5.2. Koaxiální sonda a střídavé napětí... 49 5.3. Desková izolovaná sonda a střídavé napětí... 50 5.3.1. Přenosová funkce izolované deskové sondy... 50 5.3.2. Výsledky měření deskové sondy... 58 6. Optické vlastnosti materiál a metodika... 59 6.1. Index lomu... 59 6.2. Princip refraktometru... 60 6.3. Zařízení pro měření optických vlastností... 62 6.3.1. Refraktometr ruční... 62 6.3.2. Refraktometr digitální... 62 6.4. Palivové směsi vzorky pro měření refraktometrie... 63 6.5. Motorová zkušebna... 64 6.5.1. Dynamometr... 66 6.5.2. Analyzátor... 67 6.5.3. Motor... 68 6.5.4. Elektronická řídicí jednotka motoru (ECU)... 68 7. VÝSLEDKY REFRAKTOMETRIE... 70 7.1. Vliv odparu vzorku na index lomu... 70 7.2. Směsi paliva stejného složení různého stáří... 73 7.3. Směsi paliva stejného stáří, různého složení... 76 7.4. Algoritmizace řízení upraveného flex-fuel systému... 83 7.4.1. Rozšíření systému zážehového motoru s λ-sondou... 84 7.4.2. Implementace do nového systému řízení... 85 8. Měření na motorové zkušebně... 87 9. DISKUZE... 100 10. ZÁVĚR... 104 11. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 105 SEZNAM OBRÁZKŮ... 110 SEZNAM TABULEK... 113 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK... 115

1. ÚVOD V dnešní době je z energetického hlediska kladen stále větší důraz na využívání obnovitelných ekologických zdrojů energie tak, aby bylo možné pokrýt rostoucí spotřebu energií a zároveň pokud možno snižovat produkci škodlivých látek a snižovat tak ekologické zatížení biosféry. Alternativní pohonné systémy a biopaliva se zdají být vhodnou možností, snižování produkce škodlivých látek způsobených dopravou. Biopaliva, jsou-li produkována efektivně a ekologicky udržitelně, jsou pak vhodná pro svou možnost rychlého rozšíření vzhledem k jejich kompatibilitě se stávajícími konstrukcemi spalovacích motorů. Například etanol, jakožto alternativní biopalivo k benzinu, při použití směsí s benzínem obsahující do 30 % objemu etanolu, nepotřebuje žádný zásah do stávajícího řízení spalovacího motoru. Směsi s koncentrací lihu od 30 % 90 % si vystačí s úpravou řídících algoritmů a vyšším dimenzováním průtoku vstřikovacích ventilů. Pohonné systémy schopné spalovat kromě benzinu další palivo jsou nazývány bifuel (BF) systémy. Patří sem systémy spalující etanol, vodík, LPG (Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas) LNG (Liguefied Natural Gas). Pohonné jednotky schopné spalovat etanol s benzinem mají ještě vlastní název flex-fuel (FF) systémy. V dnešní době se začínají objevovat řídicí systémy schopné u spalovacích motorů řídit spalovaní i více než dvou druhů paliv současně. Příkladem je systém TetraFuel firmy Magneti Marelli, který je schopný spalovat libovolnou směs benzinu s etanolem, čistý benzin a etanol a CNG (MagnetiMarelli, 2014). Vzhledem k tomu, že emisní legislativa pro motorová vozidla rozlišuje emisní třídy podle kategorie vozidla (osobní, nákladní a pracovní) a podle typu spalovacího motoru (zážehový, vznětový), musí všechna vozidla, bez ohledu na používané palivo, splňovat emisní předpisy odpovídající svému zařazení. Schopnost plnohodnotného provozu na různá paliva sebou v dnešní době nese třeba možnost úspory provozních nákladů (nižší cena plynných alternativních paliv, nižší cena biopaliv díky cenové politice - oproštění od spotřební daně. BF systémy s kapalným a plynným palivem jsou zpravidla schopny spalovat jedno nebo druhé palivo (přepnutí palivových a řídicích systémů). FF systémy mohou spalovat libovolnou směs benzínu s etanolem. To sebou ale nese daleko vyšší nároky na řídicí systém motoru. Alternativní paliva přes svou zaměnitelnost s fosilními vyžadují specifické nastavení podmínek spalovacího procesu, proto jedná-li se o směs paliv je znalost jejího složení esenciální pro určení směšovacího poměru paliva se 9

vzduchem (AFR Air Fuel Ratio). Elektronická řídicí jednotka (ECU) motoru je schopna nastavit řídicí algoritmy pro danou směs paliva a přesné doladění správného AFR pak pomáhá zajistit λ-sonda, výfukové kyslíkové čidlo (EGO sensor Exhaust Gas Oxygen sensor). Protože se práce zabývá problematikou FF systémů, jsou v tabulce 1 znázorněny fyzikální a termodynamické vlastnosti benzinu a etanolu. Jak je z rozdílných hodnot v tabulce patrné vyžadují jednotlivá paliva odlišné nastavení parametrů řízení spalovacího procesu zážehového motoru, pokud má být plně využito schopností paliva a dosaženo optimálních výkonových a emisních hodnot (Nakata et al., 2006). Řídicí parametry je třeba měnit s ohledem na aktuální koncentraci etanolu obsaženého ve směsi paliva. Například nižší tlak par etanolu než par benzínu a větší výparné teplo etanolu způsobují potíže se startováním za nižších teplot. Tab. 1 Fyzikální vlastnosti a chemické složení benzínu a etanolu (Matějovský, 2005) Veličina Jednotky Benzin Etanol Stechiometrický poměr [kg/kg] 14,7 9 Chemická formulace C x H 1,8x C 2 H 2 OH Převažující uhlovodíky C 4 až C 10 Obsah uhlíku [% hm] 85,5 52,2 Obsah vodíku [% hm] 14,5 13 Obsah kyslíku [% hm] až 2,7 34,8 Hustota [kg.m -3 ] při 15 C 720-775 794 Výhřevnost [MJ.kg -1 ] 42-43,5 26,8 Výhřevnost [MJ.dm -3 ] při 25 C 31-32,9 21,3 Bod tuhnutí [ C] pod -45-114,1 Bod varu [ C] 20 300 78,5 Bod vzplanutí [ C] pod -30 ~20 Teplota vznícení [ C] 450 420 Tlak par [kpa] 45 90 21 Energie inic. jiskry [MJ] 0,24 0,2 Výparné teplo [kj.kg -1 ] 290 904 OČ VM [-] 91 100 108 OČ MM [-] 82 90 90 Je-li potřeba určit množství etanolu v palivu pro nastavení studeného startu motoru, pak je logické tuto informaci využít i pro optimalizaci dalších parametrů řízení, aby bylo dosaženo vyšší účinnosti spalovacího procesu. Například díky vyššímu oktanovému číslu je možné využitím vhodného nastavení předstihu zapalování dosáhnout vyšší efektivní účinnosti. Změnou kompresního poměru, například u motorů s proměnným časováním ventilů, lze zvýšit termickou účinnost (obr. 1) a tím zvýšit 10

celkovou účinnost motoru. Znalost koncentrace etanolu může být využita také k optimalizaci transientních přechodů (akcelerace) pro jednotlivé směsi a tím minimalizovat nárůst emisí škodlivin v těchto nejméně efektivních režimech spalovacího motoru. Obr. 1 Vliv kompresního poměru na dosažitelnou termickou účinnost (Marina, 2014). 11

2. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Současné trendy v silniční dopravě kladou na pohonné jednotky moderních automobilů stále větší nároky. Ať už se jedná o provozní nebo údržbové náklady, spolehlivost, bezpečnost, jízdní komfort, výkonové parametry nebo emise a recyklovatelnost, hlavní roli hrají výrobní náklady. Největší nároky na výrobní náklady jsou kladeny legislativními požadavky na emise výfukových plynů (AVL, 8.2.2012). Nejen že jsou předepisovány emisní normy pro jednotlivé kategorie vozidel, ale v poslední době se objevují i omezení týkajících celkové produkce výrobců vozidel. Evropská unie požaduje, aby v roce 2020 průměrná hodnota produkce emisí CO 2 na 1 vůz z roční produkce výrobce nepřekročila hodnotu 95 g/km CO 2 (Evropská Komise, 2012). Právě dosažení těchto předpisů nutí automobilky zavádět nové pohonné systémy do svých výrobních portfolií. Dodávat vozy schopné spalovat alternativní paliva a využívat různé způsoby rekuperace již vydané energie atd. Finanční náročnost je tak vysoká, že na vývoji nových technologií automobilky spolupracují a dělí se o své náklady. Stejně jak se mění nároky na emise výfukových plynů produkovaných spalovacími motory, mění se i požadavky na kvalitu a složení jimi používaných paliv. Zároveň výrazně je vyvíjen stále větší tlak na používání obnovitelných zdrojů energie. Právě na biopaliva v dopravě je kladen velký důraz, jelikož jsou prosazována jako uhlíkově neutrální zdroj energie (ČAPPO, 2012). Přesto že jsou to uhlíkatá paliva, při jejichž spalování vznikají emise CO a CO 2, tento uhlík v emisích však byl nejprve rostlinami z atmosféry odebrán a z nich vytvořeno palivo, takže se nejedná o nárůst objemu CO 2 v ovzduší. 2.1. Emisní předpisy pro motorová vozidla Legislativními požadavky na redukci emisí škodlivých látek ve výfukových plynech v současné době nejvíce ovlivňují vývoj pohonných jednotek motorových vozidel. Využitím nových systémů, materiálů a technologií se výrobci snaží dosáhnout srovnatelných nebo lepších výkonových parametrů pohonných jednotek, než tomu bylo v minulosti, při výrazném poklesu emisí výfukových plynů. Na obrázku 2 je zobrazen historický vývoj základních parametrů pohonných jednotek motorových vozidel, ze kterého je patrný trend snižování emisí výfukových plynů. 12

Obr. 2 Vývoj parametrů pohonných jednotek motorových vozidel (AVL, 8.2.2012) Časový vývoj tohoto trendu je však u různých kategorií vozidel rozdílný jak ukazuje obrázek 3. První katalyzátor se objevil v roce 1973 v USA (MECA, 2014) a legislativní kroky k omezení emisí výfukových plynů ho rychle následovaly. Tyto kroky se však týkaly pouze osobních vozidel a trvalo téměř 20 let, než bylo dosaženo výrazné změny. Obr. 3 Časový vývoj legislativy podle kategorií vozidel (AVL, 8.2.2012) Teprve v roce 1992 vstoupila v Evropě v platnost emisní norma EU-1, která obsahovala emisní omezení nejen pro osobní automobily, ale týkala se i užitkových vozidel. Výrazného omezení emisí bylo dosaženo v průběhu zhruba 15 let. S novým tisíciletím přišla legislativa i pro těžké pracovní stroje a zemědělskou techniku a do budoucna se připravují i omezení pro leteckou a lodní dopravu. 13

Detailní vývoj evropské emisní legislativy pro osobní automobily je znázorněn v tabulce 2. Z tabulky je patrné, že se v průběhu času měnily nejen povolené hodnoty jednotlivých polutantů, ale přibyly i nové, v závislosti na použití nových technologií v konstrukci spalovacích motorů. Změny se pochopitelně dotkly i způsobů měření a vyhodnocení, například od EU-3 jsou emise nespálených uhlovodíků HC a oxidů dusíku NO x vyhodnocovány samostatně. S příchodem přímého vstřiku u zážehových motorů GDI (Gasoline Direct Injection), přišla regulace pevných částic, a jak ukazuje EU-6, nejen jejich množství (PM Particle Matter), ale i počtu (PN Particle Number). Tab. 2 Evropské emisní normy pro osobní automobily (AVL, 20.3.2012) Emisní norma EU-1 EU-2 EU-3 EU-4 EU-5 EU-5+ EU-6 Platnost od roku 1992 1996 2000 2005 2009 2011 2014 Emisní požadavky pro zážehové motory CO [mg/km] 2720 2200 2300 1000 1000 1000 1000 HC [mg/km] 200 100 100 100 100 HC + NOx [mg/km] 970 500 NOx [mg/km] 150 80 60 60 60 NMHC [mg/km] 68 68 68 PM jen GDI [mg/km] 5 4,5 4,5 PN [km -1 ] 6E+11 Emisní požadavky pro vznětové motory CO [mg/km] 2720 1000 640 500 500 500 500 HC + NOx [mg/km] 970 700 560 300 230 230 170 NOx [mg/km] 500 250 180 180 80 PM [mg/km] 140 80 50 25 5 4,5 4,5 PN [km -1 ] 6E+11 6E+11 Dosažení snížení emisí výfukových plynů bez ztráty výkonových parametrů pohonné jednotky s sebou nese stále větší finanční náklady pro automobilky. Jak rostou tyto cenové náklady na dosažení požadavků snížení emisí výfukových plynů pro jednotlivé skupiny vozidel, ukazuje graf na obrázku 4. Z grafu je patrné, že dosažení požadavků kladených na vznětové motory je podstatně nákladnější, než je tomu u zážehových spalovacích motorů (Posada et al.,2013). To je způsobeno výraznou eliminací emisí NO x, které vznikají při vyšších teplotách hoření. Ty jsou typické pro spalování chudé směsi, jak je tomu u vznětových motorů, z důvodu eliminace kouřivosti - emisí pevných částic. Vliv velkého snížení emisí mezi Euro5 a Euro6 je patrný v prakticky dvojnásobných nákladech (AVL, 8.2.2012). 14

Obr. 4 Náklady na systémy kontroly a redukce emisí (AVL, 8.2.2012) Další komplikací pro automobilové producenty je rozdílnost emisních norem na různých kontinentálních trzích. Právě rozdíly mezi jednotlivými předpisy a metodikou zkoušení jsou natolik rozdílné, že výrobcům komplikují globální nasazení jednotlivých pohonných jednotek a dále zvyšují náklady. Z těchto důvodu plyne snaha o sjednocení legislativ a to nejen v podobě předepsaných hodnot emisí, ale i metodiky jejich zkoušení. Snaha o jejich sjednocení (maximální přiblížení) je vidět na obrázku 5, který srovnává požadované hodnoty emisí oxidů dusíku a pevných částic u nákladních automobilů. Obr. 5 Vývoj světových emisních norem pro nákladní automobily (AVL, 20.3.2012) 15

2.2. Obnovitelné zdroje energie a biopaliva Další výrazný vliv na současné spalovací motory má legislativa týkající se používaných paliv. Jedná se hlavně o využívání biopaliv v dopravě. Jelikož Česká republika je členem Evropské unie, vychází legislativa týkající se palivového hospodářství ČR s požadavků a zákonů Evropské unie. 2.2.1. Legislativa EU Evropská politika rozšiřování biopaliv je součástí politiky využívání obnovitelných zdrojů energie tak, aby se snížila závislost na fosilních palivech. V dubnu 2009 Evropská komise přijala směrnici 2009/28 EC v níž je definován cíl dosáhnout 20% podílu obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě energie a závazný cíl dosažení 10 % podílu biopaliv v dopravním sektoru pro všechny členské státy (European Parliament, 23.4.2009) do roku 2020. Prvním legislativním opatřením EU za účelem širšího využívání biopaliv však bylo již v roce 2003 přijetí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2003/30/ES, o podpoře využívání biopaliv nebo jiných obnovitelných paliv v dopravě. Podle této směrnice měly členské státy zajistit, aby na jejich trhy bylo uváděno alespoň minimální množství biopaliv a jiných obnovitelných pohonných hmot. Toto minimální množství činilo 2 % obnovitelných paliv do 31. 12. 2005 a bylo vypočítáno na základě energetického obsahu celkového množství benzinu a nafty pro dopravní účely, prodávaného na trhu daného státu. Do 31. 12. 2010 měla být tato referenční hodnota zvýšena na 5,75 % (European Parliament, 8.5.2003). Další směrnicí EU, která podporuje biopaliva, je směrnice 2003/96/ES. Tato směrnice mění strukturu rámcových předpisů Společenství o zdanění energetických produktů a elektřiny. Na jejím základě je možné daňově zvýhodnit biopaliva, ať už čistá tak i jejich vysokoprocentní směsi s fosilními palivy (European Parliament, 27.10.2003). V České republice na tento článek reagovalo Ministerstvo zemědělství vypracováním Víceletého programu podpory dalšího uplatnění biopaliv v dopravě (Evropská Komise, 2008), na základě kterého jsou biopaliva v ČR zproštěna spotřební daně. 16

2.2.2. Legislativa v ČR Povinnost uvádění biokomponent na trh je v České republice stanovena zákonem č. 180/2007 Sb., kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší. Podle zákona č. 180/2007 Sb. jsou povinnými osobami subjekty, které uvádějí motorové benziny a motorovou naftu, schválené pro provoz na pozemních komunikacích, do volného daňového oběhu pro tuzemský trh. V praxi to jsou tedy výrobci motorových paliv, rafinérie, provozovatelé daňových skladů, dovozci paliv a někteří distributoři. Zákonem č. 180/2007 Sb. byly pro povinné osoby stanoveny tyto minimální povinnosti náhrady fosilní složky odpovídajícím biopalivem: od 1. 9. 2007 rok 2008 2,0 % v/v pro motorovou naftu, 2,0 % v/v pro motorovou naftu 2,0 % v/v pro automobilové benziny, rok 2009 4,5 % v/v pro motorovou naftu, 3,5 % v/v pro automobilové benziny. Zákon č. 172/2010 Sb. s účinností od 1. 6. 2010 posouvá tyto hodnoty na: 6,0 % v/v pro motorovou naftu, 4,1 % v/v pro automobilové benziny. Poznámka: Zákon umožňuje převod přeplněné povinnosti v kalendářním roce na následující kalendářní rok. Převod je limitován 0,2 % v/v. Je třeba si také uvědomit, že výše popsané hodnoty jsou zavazující pro množství paliva dodaného během kalendářního roku. Skutečné koncentrace se během roku výrazně mění. V zimních obdobích se zpravidla obsah bioložek snižuje a v letních obdobích roste. Jsou-li dodávány na trh vysokoprocentní směsi jako například směsná nafta B30, nebo liho-benzinové palivo E85, je možné adekvátně k tomu snížit objem bioložek v běžných palivech. 17

2.2.3. Paliva na českém trhu Sortiment biopaliv je stanoven zákonem o pohonných hmotách (311/2006 Sb. Ve znění zákona č. 91/2011 Sb.) a prováděcím předpisem k tomuto zákonu (vyhláška MPO č. 133/2010 Sb.). Normy popisující Technické požadavky a metodiku zkoušení jednotlivých paliv jsou následující: ČSN EN 228 (65 6505) Bezolovnaté automobilové benziny, ČSN EN 590 (65 6506) Motorové nafty, ČSN EN 14214 (65 6507) Metylestery mastných kyselin (FAME) pro vznětové motory, ČSN EN 15 376 (ČSN 65 6511) Etanol jako složka automobilových benzinů, ČSN 65 6508 Směsné motorové nafty obsahující FAME (MEŘO), ČSN 65 6512 Etanol 85. Norma ČSN 65 6500 Stanovuje podmínky skladování a doba použitelnosti směsí fosilních paliv a biopaliv. Jako biopaliva jsou uplatněna: - bioetanol (kvasný líh obecně nebo zvlášť denaturovaný) nebo bioetbe jako příměsi do benzinu - metylestery mastných kyselin (FAME), převážně pak metylestery řepkového oleje (MEŘO). Motorová paliva na trhu jsou tato: a) pro zážehové motory: - Automobilové benziny dle EN 228 s obsahem bioetanolu do 5 % V/V (E5) - palivo E85 b) pro vznětové motory: - motorová nafta dle EN 590 s obsahem FAME/MEŘO do 7 %V/V (B7), - směsná motorová nafta (motorová nafta s obsahem FAME/MEŘO 30 %) - SMN 30 ČSN 65 6608, - bionafta dle EN 14214 (čisté FAME/MEŘO), c) palivo E95 (jen jako pilotní projekty). 18

V souladu s českou legislativou o využívání biopaliv v dopravě a českými a evropskými technickými normami pro motorová paliva zahájil petrolejářský průmysl (ČESKÁ RAFINÉRSKÁ a PARAMO) mísení biopaliv do fosilních motorových paliv od 1. 9. 2007. Společnost ČEPRO zahájila mísení biopaliv pilotním projektem v červnu 2006. Převážně používanými biopalivy jsou bioetanol (kvasný líh zvláště denaturovaný) a etyl-terc. butyl éter (ETBE), které se mísí s benzinem. Metylestery mastných kyselin (FAME) anebo metylester řepkového oleje (MEŘO) se přidávají do motorové nafty. Biopaliva jsou do motorových paliv přidávána v průběhu jejich mísení již v rafinerii nebo až na skladových terminálech. V obou případech však výrobce finálního produktu musí garantovat jakost automobilového benzinu a motorové nafty a prověřit i jakost biopaliv, jak metylesteru řepkového oleje, tak bioetanolu včetně vhodných skladovacích podmínek. 2.3. Alternativní pohony a paliva Způsobů, jak dosáhnout snížení předepsaných hodnot polutantů ve výfukových plynech, je mnoho a automobilky ve svém portfoliu nabízejí vozidla s různými technickými řešeními. 2.3.1. Alternativní pohony Jednoduchou definicí používaných alternativních pohonů v dopravních prostředcích je využití elektrického pohonu k vylepšení energetické efektivity vozidla se spalovacím motorem, nebo jeho úplné nahrazení systémem s vyšší účinností (Pulkrabek, 2003). Elektropohony jsou vzhledem ke své účinnosti jasnou volbou. Zatímco zážehové spalovací motory dosahují celkové účinnosti maximálně kolem 35% (Wright Peter, 2014) a v přechodových režimech tato účinnost výrazně klesá. Účinnost elektromotorů v provozních podmínkách běžně dosahují hodnot 95 % (SEO, 2014). Tyto alternativní pohonné systémy se rozlišují do skupin, podle míry využití elektrického pohonu. Nejrozšířenější skupinou jsou micro-hybridní pohonné jednotky, jedná se o takzvané start-stop systémy. Při zastavení vozidla například na semaforech se motor zastaví (veškeré elektrické systémy jsou napájeny z akumulátoru s větší kapacitou) a při zařazení je motor opět nastartován. Tyto systémy používají nově alternátor, který je schopen pracovat i v motorickém režimu a motor nastartovat. Díky vyšším otáčkám a 19

výkonu, je schopen roztočit motor na volnoběžné otáčky a snížit tak razantně startovací dávku paliva a tím i emise motoru. Další skupinou hybridních pohonů jsou sériové hybridní pohony. Schematicky se jedná o stejné řešení jako u micro-hybridů, jen výkon elektrického motor/generátoru je řádově vyšší a součástí systému je i akumulátor schopný uchovat větší množství energie (obr.6). Výkonný elektromotor pomáhá spalovacímu motoru v akceleraci, při které má nejmenší účinnost a při deceleraci pracuje v generátorickém chodu, kdy kinetickou energii brzdění ukládá ve formě elektřiny do akumulátoru (KERS Kinetic Energy Recovery System). Elektrický motor je spojen s klikovým mechanismem spalovacího motoru tak, že nedochází k pohonu pouze na elektrickou energii. Obr. 6 Sériový hybridní systém vozu McLaren P1 (McLaren, 2014) Od letošního roku se na závodních tratích objevují tyto systémy i s rekuperací tepelné energie. Jedná se o turbodmychadlem přeplňované spalovací motory. Turbodmychadlo je spojeno s elektromotorem, který při vysokých otáčkách spalovacího motoru pracuje v režimu generátoru a odebírá část energie spalin. Tuto energii může ukládat do akumulátoru nebo ji přesměrovat na pohon elektromotoru spojeného s klikovým mechanismem. Jak takto vybavená pohonná jednotka pracuje, ukazuje obrázek 7. 20

Obr. 7 Princip funkce pohonná jednotka Renault RS34 pro vozy F1 vybavené rekuperací kinetické a tepelné energie (Renaultsportf1, 2014). Pokud se jedná o paralelní hybridní systém, pak je elektrický pohon od spalovacího motoru oddělen. V tomto případě je možný provoz jen na energii v akumulátorech, nebo v kombinaci se spalovacím motorem. Ten u některých konstrukčních řešení může také fungovat jako pouhý zdroj energie pro elektrický pohon (obr. 8), pokud je pohon vozidla čistě elektrický a spalovací motor nemá mechanickou vazbu s koly. Jedná se o tzv. elektromobil s prodlužovačem dojezdu (obr. 9). Jako generátor elektrické energie může být použita i spalovací turbína. Obr. 8 Blokové schéma pohonného ústrojí Opel Ampera,Chevrolet Volt 21

Mezi vozidla s alternativním pohonem patří pochopitelně i elektromobily, jejichž kola jsou poháněna pouze elektrickou energií. Ta však nemusí být uložena pouze v akumulátorech, ale jejím zdrojem mohou být palivové články nebo další způsoby ukládání elektrické energie. Obr. 9 Možnosti pohonného ústrojí BMW i3 (MyBMWi3, 2014) Všechny výše popsané alternativní pohonné systémy sebou nesou vyšší finanční náklady v porovnání s pohonem pouze spalovacím motorem na fosilní paliva. Tyto náklady jsou přímo úměrné zvýšení celkové účinnosti daného systému v porovnání běžným atmosférickým spalovacím motorem. 2.3.2. Alternativní paliva Vzhledem k vysokým nákladům zatím popsaných řešení je levnější varianta snižování emisí výfukových plynů použití alternativních paliv, ať už plynných nebo kapalných. Pohonné jednotky schopné spalovat tato alternativní paliva většinou pracují jako více palivové systémy založené na zážehových spalovacích motorech, to znamená, že jsou schopny spalovat jak alternativní palivo, tak benzin. Jako plynná paliva se používají LPG (zkapalněný ropný plyn směs propanu a butanu), CNG (stlačený zemní plyn) a H 2 (vodík) (Vlk, 2006), jejichž základní parametry v porovnání s benzínem jsou znázorněny v tabulce 3. Výhodou plynných paliv (LPG, CNG) jsou podstatně nižší provozní náklady plynoucí z poměru výhřevnost/cena. Je třeba si však uvědomit, že se jedná také o fosilní paliva, a tedy o neobnovitelný zdroj. 22

Tab. 3 Základní vlastnosti plynných paliv a benzinu (Matějovský, 2005) Palivo Benzin LPG CNG H 2 Hustota [kg/m 3 ] 720-775 510-580 0,693 0,0852 Výhřevnost [MJ/kg] 42-43,5 46 49,5 120 OČ VM [-] 91-100 100 130 130+ OČ MM [-] 82-90 91 - - Stech. poměr [kg/kg] 14,7 15 17,2 34,3 Nevýhodou používání plynných paliv však je nutnost dalšího palivového systému, další palivové nádrže, která většinou omezuje zavazadlový prostor a snižuje tak praktickou využitelnost vozu. Zatímco LPG a CNG jsou stále uhlíkatá paliva, takže složení emisí výfukových plynů je velmi podobné spalinám benzinu. Hlavním produktem spalování vodíku je vodní pára s emisemi NO x. Nevýhodou vodíku je však jeho špatná dostupnost vyplývající z problematické skladovatelnosti a bezpečnostních požadavků na tankování. Ve vozidle (obr. 10) je vodík skladován v kryogenní nádrži v kapalném stavu při teplotě -253 C. Součástí řídicího modulu nádrže je chladicí systém, využívající výparného tepla vodíku použitého pro spalování. Do motoru je vodík přiváděn jako plynné palivo při teplotě 20-80 C (Montignac et al., 2009). Vzhledem k nedokonalé tepelné izolaci nádrže dochází při stání vozidla ke ztrátě kolem 3 % objemu uskladněné látky za den vypuštěním bezpečnostním přetlakovým ventilem. Z toho vyplývá, že dlouhodobá skladovatelnost není možná (efektivní). Tankování kapalného vodíku je robotizovaná záležitost vzhledem k riziku exploze při úniku, plynoucí z výbušnosti vodíku při kontaktu s kyslíkem. Obr. 10 Vodíkový pohon BMW Hydrogen 7 (Ragonesi et al., 2007) 23

Jako alternativní kapalná paliva se pro zážehové motory používají různé druhy alkoholů (metanol, etanol, butanol ) vyráběných synteticky jako ropné deriváty, nebo štěpením biomasy jako biopaliva. Alternativními palivy k naftě jsou například hydrokrakované oleje nebo syntetická nafta GTL (Gas To Liquid) vyráběná ze zemního plynu (Shell, 2014) a další biopaliva popsaná níže. 2.3.3. Biopaliva Mezi alternativní paliva patří také biopaliva. Biopaliva používaná v dopravě můžeme dělit na kapalná nebo plynná paliva vyráběná z biomasy. V širším slova smyslu může být biopalivem označena rostlinná biomasa využívaná pro energetické účely, tj. paliva vzniklá cílenou výrobou či přípravou z biomasy. Vzhledem k původu energie biomasy ve slunečním záření a fotosyntéze, se biomasa a tedy i z ní vyprodukovaná paliva, považují za obnovitelný zdroj energie. Kapalná biopaliva se dělí na: - alkoholová (bioetanol, biometanol, biobutanol) pro zážehové motory - biomtbe, bioetbe pro zážehové motory - biooleje, bionafta (transesterifikované oleje a tuky FAME, FAEE) pro vznětové motory - zkapalněná plynná biopaliva (Fischer - Tropschova syntéza) Plynná biopaliva se dělí na: - biodme pro vznětové motory (CČ- 55), pro zážehové motory (30 % DME, 70 % LPG) - bioplyn (CH 4 +CO 2 ) obvykle vzniká přirozeným rozkladem - dřevoplyn (CO+H 2 ) získává se zplyňováním biomasy - vodík vzniká štěpením jakéhokoliv uhlovodíkového biopaliva Nás budou zajímat hlavně paliva kapalná, protože jejich používání sebou nese menší nároky na úpravu pohonné jednotky. Nevyžadují další palivový systém, používají společný systém s původním palivem. Většinou je zapotřebí pouze výměna těsnících materiálů spojů palivového systému za odolnější, vzhledem k chemickým vlastnostem těchto alternativních paliv. Tato paliva jsou s původním palivem mísitelná. Vzhledem k legislativě popsané v kapitole 2.2 se tato alternativní paliva (biopaliva) běžně používají jako příměsi standardních ropných paliv. První generace biopaliv pro zážehové motory se vyrábí fermentací cukrů a škrobu a jedná se o bioetanol. Pro 24

vznětové motory se používají oleje a tuky, které se reesterifikují na bionaftu (FAME- Fatty Acid Methyl Esters, metylestery mastných kyselin). V případě biopaliv 1. generace, která jsou zatím na trhu, je problémem jejich konkurence plodinám pro výrobu potravin a výrobní náklady těchto paliv jsou vyšší než náklady na výrobu ropných paliv. Jejich používání je tedy ovlivněno legislativní úlevou od spotřební daně. Proto je maximální snaha o zavádění biopaliv dalších generací, vyráběných novými metodami primárně z odpadní biomasy, tak aby nekonkurovala potravinářským plodinám (ČAPPO, 2012). Jako biopaliva 1. generace jsou alternativou k motorové naftě na trhu dostupné metylestery mastných kyselin (FAME), převážně pak metylestery řepkového oleje (MEŘO). Jejich vlastnosti v porovnání s naftou jsou znázorněny v tabulce 4. Tab. 4 Základní vlastnosti paliv nafta, MEŘO (Matějovský 2005) Palivo Nafta MEŘO Hustota [kg/m 3 ] 800-845 870-890 Výhřevnost [MJ/kg] 42,5 38,5 CČ [-] nad 51 ~58 obsah kyslíku [%hm] do 0,6 11 bod tuhnutí [ C] -32 až 0-20 až 0 bod vzplanutí [ C] nad 55 nad 100* * obvyklá hodnota pro komerční produkty, čisté estery mají bod vzplanutí nad 180 C Alternativ k benzinu je podstatně víc, než je tomu u nafty. V první generaci biopaliv jsou vyráběny hlavně bioetanol, MTBE (metyl-terc. butyl éter) a ETBE (etylterc. butyl éter) jejichž vlastnosti v porovnání s benzinem jsou znázorněny v tabulce 5. Tab. 5 Základní vlastnosti alternativních paliv k benzinu (Matějovský, 2005) Palivo Benzín Etanol MTBE ETBE Hustota [kg/m 3 ] 720-775 794 738 742 Výhřevnost [MJ/kg] 42-43,5 26,8 35,2 36,05 OČ VM [-] 91-100 108 118 118 OČ MM [-] 82-90 90 101 105 Stech. poměr [kg/kg] 14,2-14,7 9 11,7 12,15 Obsah kyslíku [%hm] až 2,7 34,8 18,2 15,7 25

Všechny tyto biosložky se používají jako příměsi do benzinu za účelem zvýšení oktanového čísla a jsou náhradou za dříve používané tetraethylolovo. Zmíněná biopaliva mají vysoký obsah kyslíku, jejich obsah v benzínu je tedy limitován ze zákona maximálním povoleným množstvím 2,7 % kyslíku. Nejrozšířenější je etanol, jelikož je z daných paliv nejsnáze a nejlevněji vyrobitelný. Na rozdíl od MTBE a ETBE je na trhu dostupný také jako vysokoprocentní směs s benzínem E85. Etanol je nejpoužívanější biopalivo vůbec, hlavně díky svému vysokému rozšíření v zemích jižní Ameriky a USA. Vývoj světové spotřeby vysokoprocentních směsí etanolu s benzínem je znázorněn v grafu na obrázku 11. Zajímavou alternativou k etanolu je biobutanol, který na rozdíl od bioetanolu má o cca 30% vyšší energetický obsah a nepohlcuje vodu. Díky své výhřevnosti blízké benzinu, nepotřebuje žádné úpravy stávajících motorů na benzín (Butamax, 2014). 1600 1400 1200 1000 barelů/den 1000 800 600 400 200 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Evropa jižní Amerika Severní Amerika Zbytek světa Obr. 11 Vývoj světové spotřeby vysokoprocentních etanolových paliv (Indexmundi, 2014) 26

2.4. Vliv spalování bioetanolu na zážehový motor vozidla Tato část, se vzhledem k tématu této práce, omezí pouze na vliv etanolu jako nejpoužívanějšího biopaliva pro zážehové spalovací motory. 2.4.1. Vliv etanolu na zážehový motor Vliv etanolu na konstrukční řešení zážehového motoru se odvíjí od jeho použití. Má-li být zážehový motor provozován pouze na etanol, bude se technické řešení výrazně lišit od provedení benzínového motoru schopného spalovat i etanol a to z důvodu maximálního využití fyzikálních vlastností paliva. Motor na etanol má například vyšší kompresní poměr, má odlišné válce a tvar spalovacího prostoru (Vlk, 2006). Nejpoužívanější je dvoupalivové řešení, kdy motor je schopen plnohodnotného provozu jak na čistý benzin, tak na jakoukoli směs benzinu s etanolem až po 90% směs, kterou povoluje zákon. V tomto případě budou nutné konstrukční zásahy vyplývat z rozdílného stechiometrického poměru benzinu a etanolu. Změnami je nutno zabezpečit potřebné navýšení vstřikovaného množství paliva a tím eliminovat nižší výhřevnost etanolu proti benzínu. Toho je možno dosáhnout výměnou stávajících vstřikovacích ventilů za ventily s vyšším průtokem, nebo navýšením vstřikovacího tlaku, což může obnášet kromě výměny reduktoru tlaku také výměnu palivového čerpadla. Hmotnostní stechiometrický poměr je neměnný, ale jelikož pro vstřikovací ventily je snazší odměřit objem paliva než jeho hmotnost, je důležitý stechiometrický poměr objemový. Ten je závislý na hustotách jednotlivých složek (vzduch, palivo) spalované směsi, tedy na jejich teplotách a tlacích. Pro představu jak se mění vstřikovaná dávka paliva v závislosti na teplotě nasávaného vzduchu a teplotě paliva ukazuje tabulka 6 pro benzin a tabulka 7 pro etanol. Jelikož se jedná pouze o změny teplot, jsou zbylé okrajové podmínky nastaveny na tlak = 100 kpa a vlhkost vzduchu 40 %. Jako srovnávací hodnota je brána dávka paliva při teplotách vzduchu a paliva 20 C a ostatní hodnoty jsou popsány jako procentuální změna vstřikované dávky vůči této výchozí hodnotě. Stejným způsobem provádí řídící jednotka motoru teplotní korekce. 27

Tab. 6 Změna vstřikovací dávky benzinu v závislosti na teplotě [%] Teplota vzduchu [ C] tlak 100 kpa vlhkost 40% Teplota paliva [ C] -30-20 -10 0 10 20 30 40-30 -12,6-13,5-14,3-15,1-16,2-17,3-18,4-19,5-20 -9,0-9,9-10,7-11,7-12,8-13,9-15,1-16,2-10 -5,4-6,3-7,2-8,1-9,3-10,5-11,7-12,9 0-1,7-2,7-3,6-4,6-5,8-7,1-8,3-9,5 10 2,0 0,9 0,0-1,0-2,3-3,6-4,9-6,1 20 5,7 4,7 3,7 2,7 1,3 0,0-1,3-2,7 30 9,7 8,6 7,6 6,5 5,1 3,7 2,3 0,9 40 13,8 12,7 11,7 10,5 9,1 7,7 6,2 4,8 Tab. 7 Změna vstřikovací dávky etanolu v závislosti na teplotě [%] Teplota vzduchu [ C] tlak 100 kpa vlhkost 40% Teplota paliva [ C] -30-20 -10 0 10 20 30 40-30 -12,4-13,4-14,3-15,3-16,4-17,3-18,2-19,1-20 -8,8-9,8-10,8-11,9-13,0-13,9-14,8-15,8-10 -5,2-6,2-7,2-8,4-9,5-10,5-11,4-12,5 0-1,5-2,6-3,7-4,8-6,0-7,1-8,0-9,1 10 2,2 1,1 0,0-1,3-2,5-3,6-4,6-5,7 20 6,0 4,8 3,7 2,4 1,1 0,0-1,0-2,2 30 9,9 8,7 7,5 6,2 4,9 3,7 2,7 1,5 40 14,1 12,8 11,6 10,2 8,9 7,7 6,6 5,3 Z porovnání tabulek 6 a 7 vyplývá, že intervaly korekcí (benzin: -19,5 až 13,8; etanol: -19,1 až 14.1) vstřikované dávky jsou u obou paliv prakticky stejné (rozdíl 0,1 %), liší se jen posunutí o 0,3 %. Je třeba si uvědomit, že změny vstřikovacích dávek v tabulkách 6 a 7 jsou pouze v rámci jednoho paliva. Jak se od sebe liší porovnávací dávky paliva, v závislosti na koncentraci etanolu v palivové směsi, ukazuje tabulka 8. Objemové stechiometrické poměry a z nich vypočtené dávky paliva tedy odpovídají podmínkám: teplota paliva a vzduchu 20 C, tlak=100 kpa a vlhkost vzduchu 40 %. Z tabulky 8 vyplývá požadavek na zvýšení průtoku vstřikovači paliva o 43,3% pro koncentraci etanolu 90 %. Vyjdeme-li z předpokladu, že dimenzování vstřikovacích ventilů paliva u zážehových motorů odpovídá zhruba 110 % vstřikované dávky při jmenovitých otáčkách motoru, pak tabulky 8 vychází, že bez nutnosti konstrukčních změn je možno bezpečně provozovat běžnou zážehovou spalovací jednotku s palivem o koncentraci etanolu do 30 %. 28

Tab. 8 Stechiometrické poměry a vypočtené nárůsty vstřikovaných dávek Palivo (T palivo = 20 C, T vzduch = 20 C, P vzduch = 100 kpa, vlhkost = 40 %) Konc. etanolu Teoretický stechiometrický poměr Teoretický nárůst dávky paliva proti benzínu hmotnostní objemový hmotnostní objemový [%] [kg.kg -1 ] [L.L -1 ] [%] [%] benzín (E0) 0 14,50 9253 0 0 E5 5 14,23 9097 1,9 1,7 E10 10 13,95 8942 3,9 3,5 E15 15 13,68 8787 6,0 5,3 E20 20 13,40 8631 8,2 7,2 E25 25 13,13 8476 10,5 9,2 E30 30 12,85 8321 12,8 11,2 E35 35 12,58 8165 15,3 13,1 E40 40 12,30 8010 17,9 15,5 E45 45 12,03 7855 20,6 17,8 E50 50 11,75 7699 23,4 20,2 E55 55 11,48 7544 26,4 22,7 E60 60 11,20 7388 29,5 25,2 E65 65 10,93 7233 32,7 27,9 E70 70 10,65 7078 36,2 30,7 E75 75 10,38 6922 39,8 33,7 E80 80 10,10 6767 43,6 36,7 E85 85 9,83 6612 47,6 39,9 E90 90 9,55 6456 51,8 43,3 E95 95 9,28 6301 56,3 46,8 etanol (E100) 100 9,00 6146 61,1 50,6 Vzhledem k výrazným korozním vlastnostem lihu plynoucím z hygroskopie a agresivnímu chování vůči některým plastům a pryžím je vhodná výměna prvků palivového systému za alkoholu odolné a z korozivzdorných materiálů. Další zásahy se již týkají řízení spalovacího cyklu a vyžadují zásah do řídících algoritmů motoru. Díky vysoké antidetonační odolnosti alkoholových paliv lze zvýšením kompresního poměru dosáhnout vyšší tepelné účinnosti. Vlivem vysokého výparného tepla dochází při tvorbě směsi k ochlazování a tím k zlepšení plnění, tedy objemové účinnosti motoru. Výhřevnost alkoholů je sice nižší, ale díky vysokému obsahu kyslíku v palivu dochází k dokonalejšímu prohoření směsi a tak je možno s výše popsanými výhodami dosáhnout vyššího výkonu motoru. Důležitým aspektem spalování etanolu je výrazné snížení 29

škodlivých emisí ve výfukových plynech. Nevýhodou etanolu, je vlivem vyššího výparného tepla (etanol 904 kj/kg, benzin 290 kj/kg) a vyšší teploty bodu vzplanutí (etanol ~20 C, benzin pod -30 C) horší startovatelnost při nízkých teplotách. 2.4.2. Vliv použití etanolu na provozní režim spalovacího motoru U zážehových motorů má na provozní režim nepříznivý vliv zvýšený obsah vody v bioetanolu, což může vést v případě vysokého stupně zavodnění až k odloučení lihové a benzinové složky. Obsah vody v palivu může ještě zhoršovat problémy se studenými starty na palivo s větším zastoupením lihové složky. Navíc způsobuje korozi součástí palivového systému včetně vstřikovačů. V případě zamrznutí odloučené vody může dojít k fatálnímu poškození dílčích komponent. Další problémy se startováním plynou z podstatně vyššího výparného tepla a bodu vzplanutí etanolu jak bylo zmíněno výše. Proto sériové vozy s pohonnými jednotkami schopnými spalovat vysokoprocentní lihobenzinové směsi jsou často vybaveny ohřevem sacího traktu, nebo vstřikovačů, aby bylo usnadněno odpaření paliva. Navíc komerčně prodávaná směs E85 má pro zimní období snížený obsah etanolu, aby vyšší obsah běžného benzínu ulehčil studený start. Složení paliva E85 se tak v průběhu roku mění od 70 % (zimní) až po 90 % (letní) etanolu. Velké výparné teplo sebou nese, ale i výhody. Při odpaření paliva klesá teplota ve spalovacím prostoru, a tak i výsledná teplota hoření je nižší, takže teplotní zatížení mechanických částí motoru je nižší a jejich životnost se tak může zvyšovat. 2.5. Konstrukční řešení a metody řízení FFV motorů Jelikož nejrozšířenějším biopalivem na světě je etanol, zaměřuje se tato práce právě na pohonné jednotky spalující toto palivo. Etanolové směsi s benzínem jsou majoritním palivem v zemích Jižní Ameriky a jsou rozšířenou alternativou ve státech Severní Ameriky. V Evropě je toto palivo doménou především severských zemí, jelikož ostatní evropské automobilky s výjimkou švédského Volva toto palivo ignorují a nenabízí ve svém portfoliu pohonných jednotek odpovídající moderní techniku schopnou plnohodnotného provozu na toto palivo. Pro pochopení rozdílů v řízení FFV motoru, je nejdříve nutné znát řízení běžných spalovacích motorů. Vzhledem k tomu, že FFV (Flexi Fuel Vehicle) pohonné jednotky spalující etanol vycházejí ze zážehových motorů, bude nejprve objasněno řízení zážehového spalovacího motoru. 30

2.5.1. Řízení zážehového spalovacího motoru V současné době jsou moderní pohonné jednotky výhradně řízené elektronickými řídicími jednotkami (ECU), jelikož řízení spalovacího motoru splňujícího současnou emisní legislativu je velmi komplexní sofistikovanou záležitostí, kde už není možné si vystačit pouze se schopnostmi mechanických regulátorů. Základní funkcí elektronické řídicí jednotky motoru je řídit spalovací proces motoru a jeho přídavná zařízení tak, aby bylo dosaženo požadovaných hodnot parametrů, jako je například točivý moment, otáčky motoru a emise výfukových plynů. Součástí řídicí jednotky je i diagnostický systém kontrolující správnou funkci akčních členů a je schopný varovat před možným nebezpečím poškození, nebo disfunkcí některé části systému. Parametry spalovacího motoru obecně vycházejí z mechanické konstrukce motoru a schopnosti ECU precizně řídit spalovací proces. Ve stručnosti se jedná o schopnost vytvořit směs paliva se vzduchem o požadovaném směšovacím poměru (AFR) a tu ve správný okamžik zažehnout (Vlk, 2003). V případě zážehového motoru se jedná o okamžik otevření vstřikovacích ventilů, dobu jejich otevření a správné načasovaní zažehnutí směsi. U vznětového motoru jde o správné načasování vstřiku a jeho trvání (Ribbens, 2003). První elektronicky řízené zážehové motory si vystačily pouze s určením dávky paliva a předstihu na základě otevření škrticí klapky (zatížení) a otáček motoru. Jako korekční parametr do řídícího procesu vstupovala teplota chladicí kapaliny, kvůli chodu za studena, zastoupena funkcí sytiče. Později se přidala λ sonda jako prvek upřesňující dávku paliva s ohledem na složení výfukových plynů pro správnou funkci třícestného katalyzátoru. Moderní zážehový motor je natolik svázán legislativními požadavky na produkci emisí výfukových plynů, že pro svůj optimální chod potřebuje podstatně více vstupních i výstupních veličin. Nové motory pro splnění těchto limitů často využívají přeplňování, přímý vstřik paliva, proměnné časování jak sacích tak výfukových ventilů a další konstrukční řešení, která umožňují další optimalizaci a zefektivnění spalovacího procesu. Tato konstrukční řešení pak navenek vystupují jako dílčí subsystémy, které vyžadují vlastní řízení, a tak navyšují požadavky na schopnosti řídicího systému. Požadavky jsou jak na výpočetní výkon systému, tak na rozšíření hardwarových 31

periferií pro připojení čidel a aktuátorů. Stručný přehled vstupních a výstupních parametrů, moderního motoru je vidět na obrázku 12. Je třeba si uvědomit, že vozidlo je komplexní systém a mnoho dalších parametrů ovlivňujících chod motoru je sbíráno dalšími systémy vozidla a do řídící jednotky se dostávají pomocí komunikační sběrnice CAN-BUS. Jedná se například o data z převodového ústrojí, bezpečnostních a komfortních systémů vozu. Pokud je motor uzpůsoben na spalování více druhů paliv, jsou tyto nároky ještě větší. Vzhledem k rozdílným vlastnostem paliv je potřeba rozpoznat použité palivo a adekvátně nastavit parametry spalování. Tím rostou také nároky na rozsahy možné regulace systému. Způsoby detekování použitého paliva lze rozdělit na dva hlavní směry, detekci přímou nebo nepřímou metodou. Přímá metoda určuje palivo v závislosti na změně fyzikálních vlastností, které přímo měří (hustota, barva, refrakční index). Nepřímá metoda rozlišuje použité palivo na základě jeho vlivu na spalovací proces motoru. Tento vliv může být na průběh hoření (průběh tlaku ve válci, vliv na detonační hoření, atd.) nebo na výstupní parametry hoření jako je složení výfukových plynů, množství zbytkového kyslíku atd. Konstrukčních provedení systémů je mnoho, základní principy jsou však stejné a liší se pouze některými detaily technického řešení, tak aby optimalizovaly svou funkci pro dané vstupní podmínky. Proto zde budou popsány jen hlavní metody, nejpoužívanější systémy a některá specifická řešení budou zmíněna jen okrajově. 32

Vstupy Napětí akumulátoru Napětí na svorce 15 Výstup 5V Výstup na hlavní relé Otáčky motoru Poloha pedálu akcelerátoru Teplota vzduchu vstupní Teplota vzduchu plnící potrubí Tlak barometrický Tlak plnění Teplota paliva Tlak paliva Teplota chladicí kapaliny Teplota motorového oleje Tlak motorového oleje Čidlo klepání další analogové vstupy Otáčky vačkového hřídele další digitální vstupy COM 1 COM 2 Napěťový regulátor Watchdog Analogové vstupy Digitální vstupy Sériová sběrnice ECU výkonové výstupy pro vstřikovače a zapalovací cívky zdroje proudu pro ovládání aktuátorů H bridge 12V/5V výstupy pro napájení snímačů Výstupy vstřikovače cívky EGR ventil aktuátor tlaku plnění ovládání elektronické škrtící klapky vyhřívání λ sondy ovládání aktuátorů časování ventilů napájení analogových a digitálních snímačů komunikace s dalšími řídícími jednotkami vozu monitorování kyslíku ve spalinách CAN-BUS obvod pro λ sondu Obr. 12 Základní rozdělení periferií elektronické řídící jednotky (Štěrba et al., 2010) 33

2.5.2. FFV řízené metodou AFR uzavřené smyčky Tato nepřímá metoda určení paliva je založena na použití širokopásmové λ-sondy (UEGO Universal Exhaust Gas Oxigen sensor) pomocí které je regulována vstřikovaná dávka paliva. Řídící jednotka se primárně nesnaží určit směs paliva, jejím úkolem je pouze pomocí regulace vstřikované dávky dosáhnout požadovaného směšovací poměru paliva se vzduchem (AFR - Air Fuel Ratio), přesně řečeno dosažení požadované hladiny zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. Pokud by to bylo zapotřebí, je možné směs paliva (koncentraci etanolu) určit zpětně z AFR a vstřikované dávky paliva. Právě kvůli zpětnému určení paliva (dávky paliva), na základě signálu z EGO, je problematické startování motoru, jelikož dokud se λ-sonda neohřeje na provozní teplotu, řídící jednotka není schopna určit palivo, které motor spaluje. Proto existuje několik startovacích strategií, které mohou řídící jednotky při startu použít: 1) ECU pro start nejprve použije dávku paliva odpovídající nízkoprocentní etanolové směsi, a pokud motor po nějakou dobu nenastartuje, použije dávku pro vysokoprocentní směs. Tento způsob se vyznačuje zpravidla delší dobou startování a je charakteristický pro přídavné řídící jednotky při přestavbách zážehových motorů. 2) Startovací dávka paliva je určena na základě znalosti paliva před posledním zastavením motoru, kdy tato informace je uložena v paměti řídící jednotky. Systém spoléhá na to, že mezi jednotlivými starty nebylo palivo změněno a pokud došlo k tankování (změně koncentrace) je v palivovém potrubí dostatek původního paliva, aby motor spolehlivě nastartoval. V dnešní době, kdy se legislativa zaměřuje i na omezení produkce emisí výfukových plynů při studeném chodu motoru, může mít první systém značné problémy splnit dané požadavky. Dalším nedostatkem této metody řízení flex-fuel (FF) pohonné jednotky je omezení auto diagnostiky systému. Zpětnovazební regulace výfukovým oxidačním čidlem je používána i pro palubní diagnostiku, jednopalivový systém využívá velice úzké pásmo λ-regulace (asi ±5%) a pokud je požadavek na regulaci mimo tento rozsah je detekována chyba. V případě FF řízení kde regulace probíhá v řádu 50% může dojít k chybné interpretaci dat. Např. Změna signálu z MAF senzoru (Manifold Air flow váha vzduchu), nebo změna průtoku vstřikovacím ventilem vlivem opotřebení nebo 34

nečistot, může vést k chybné úvaze o změně koncentrace etanolu v palivu a tak ke špatné regulaci. Největším nedostatkem tohoto systému je absolutní závislost na korektním signálu λ-sondy. V případě ztráty signálu je motor v nouzovém režimu prakticky neschopný provozu, jelikož v případě chodu je vysoké riziko poškození při provozu na chudou směs (λ 1), nebo v opačném případě (λ 0,7) může být problém se zapálitelností směsi. Přes všechny nedostatky je toto technické řešení řízení zážehového spalovacího motoru u FFV nejrozšířenější, protože v základním uspořádání nevyžaduje dodatečné náklady na výrobu vozidla proti motoru čistě na benzin, změny se týkají pouze algoritmů řízení. 2.5.2.1. Technické varianty FFV s řízením pomocí EGO senzoru Základní a nejrozšířenější uspořádání tohoto systému je s jednou palivovou nádrží. Tento systém je naprosto totožný se systémem běžného spalovacího motoru na benzín. Rozdíl je pouze v použití materiálů na palivový systém tak, aby byly odolné vůči etanolu. Další modifikace tohoto systému je s použitím oddělených palivových nádrží (standardní nádrž na etanol, přídavná menší nádrž na benzin). Benzín je použit pouze na start motoru, poté je provozován na etanol. Tento systém je rozšířen primárně v zemích Jižní Ameriky, kde jsou používané směsi až po čistý etanol E100. Palivové systémy jsou zpravidla zcela odděleny. Pro zjednodušení pak benzínový systém určený pouze pro start motoru může používat jen jednobodový systém vstřikování. 2.5.3. Detekce etanolu z průběhu hoření Jak bylo popsáno výše rozdílné fyzikální vlastnosti etanolu a benzínu výrazně ovlivňují samotný proces hoření. Proto existuje také mnoho metod určujících použité palivo na základě změn probíhajících ve spalovacím prostoru v průběhu hoření. Tyto metody se zabývají analýzou indikovaného tlaku a teploty ve válci. Metody analýza naměřených dat se však výrazně liší. Některé se zabývají komplexní analýzou těchto veličin v průběhu celého spalovacího cyklu (Gassenfeit et al., 1989; Sellnau et al., 2000), zatímco jiné pouze některých částí, jako je třeba určení směsi paliva 35