Souhrn Konstrukce motorů pro alternativní paliva Příspěvek obsahuje úvahy o využití alternativních paliv k pohonu spalovacích motorů u silničních vozidel zejména z hlediska zdrojů jednotlivých druhů paliv a technické připravenosti vozidel pro použití alternativních paliv. Josef Přibyl, TÜV UVMV, s,r,o. 1
1. Úvod V současné době se stále více rozšiřuje sortiment paliv, používaných k pohonu pístových spalovacích motorů, a to zejména vozidlových. Tato paliva jsou zpravidla nazývána jako paliva alternativní. Důvody pro použití běžně nezavedených druhů paliv jsou různé ekonomické, ekologické nebo výzkumné a vývojové. Už v současné době však je vhodné řešit otázku, zda se jedná o paliva konkurenční nebo o řešení budoucí náhrady ropných paliv. Vzhledem k rozsahu a různorodosti použití alternativních paliv, je obecně a pro další text přednášky důležité pojem alternativní palivo definovat. 2
1.2. Definice pojmu Podle názvoslovné nomenklatury užívané v EU jsou jako alternativní paliva označovány nosiče energie pro zážehové a vznětové motory, které nepocházejí - s výjimkou zkapalněného ropného plynu (LPG) - ze zpracovaného minerálního oleje ropného původu. K alternativním palivům jsou podle této definice přiřazována paliva získaná ze zemědělské produkce řepkový olej (metylester řepkového oleje), metanol a bioetanol, z ostatních pak zemní plyn zkapalněný (LNG) nebo stlačený (CNG) a vodík. S výjimkou zkapalněného ropného plynu jsou alternativní paliva konkurenceschopná jen s vysokými dotacemi nebo daňovými úlevami. Tato paliva přicházejí v úvahu jako náhrada za ropná paliva vzhledem k dohlednému nedostatku ropných surovin a stále rostoucímu ekologickému zatížení životního prostředí. Ve srovnání s konvečními palivy fosilního původu (BA a MN) poskytují alternativní paliva větší nebo menší ekologické výhody. S využitím alternativních paliv jsou ovšem také spojena větší nebo menší omezení rozšíření a většinou vyšší ceny. 3
2. Rozdělení alternativních paliv podle způsobu použití 2.1. Alternativní paliva použitelná bez jakýchkoliv úprav motoru nebo vozidla. Tento druh alternativního paliva nevyžaduje zásah do konstrukce motoru, seřízení spalovacího motoru ani výměnu nebo doplnění vybavení vozidla. Výkonové a provozní parametry jsou srovnatelné s palivem původním a toto alternativní palivo je bez problémů mísitelné s palivem původním (např. směsná paliva s obsahem metylesterů řepkového oleje ve vznětových motorech bionafta II. generace). 4
2.2. Alternativní paliva vyžadující technické úpravy motoru nebo vozidla: Tento druh alternativního paliva vyžaduje určité úpravy, bez kterých by použití tohoto paliva k pohonu spalovacího motoru nebylo možné. Tyto technické změny však nezabraňují použití paliva původního. Zpravidla se jedná o tzv. dvoupalivové systémy s možností volby mezi provozem na alternativní a původní palivo (např. LPG a BA). Motory s tímto druhem alternativního paliva v souladu se zněním zákona č. 56/2001 Sb. musí při emisních kontrolách splňovat předepsané emisní limity, stanovené pro původní palivo, a to při použití obou paliv. 5
Základní schéma pohonu vozidla na LPG 6
Nádrže ukázky 7
2.3. Bioetanol jakožto alternativní palivo Bioetanol je používán několika způsoby. a) Prvním způsobem je využití bioetanolu pro výrobu ETBE (etyltercbutyléter) náhradou za MTBE (metyltercbutyléter), který je používán jako zvyšovač oktanového čísla pro automobilové benziny. b) Další způsob využití bioetanolu představuje jeho přimíchávání do automobilového benzínu v množství do 5%V/V, v souladu s možnostmi jakostní normy ČSN EN 228. c) Třetí možností je využití paliva s vysokým obsahem biosložky pro použití v zážehových motorech, až do obsahu 85%V/V bioetanolu. Toto palivo je označováno jako palivo E-85 a mohou jej používat vozidla se speciálně upravenými motory (FFV-flexi fuel vehicles). d) Poslední možností využití bioetanolu jakožto altrnativního paliva je příprava paliva s označením E-95. Jedná se o palivo s vysokým obsahem biosložky určené pro vznětové motory. Vývoj tohoto druhu alternativního paliva je předmětem řešení projektu vypsaného MD ČR na r.2005 až 2006. Řešitelem tohoto projektu je ÚPM a.s. a naše společnost se na tomto projektu podílí v roli spoluřešitele. 8
Formulace alternativního paliva E95 je ve světě předmětem zkoušení již od poloviny osmdesátých let. Aby mohly vznětové motory spalovat toto lihové palivo s obsahem bioetanolu kolem 95 %, musí být provedena určitá úprava vstřikovacího čerpadla a trysek umožňující zvětšit vstřikovanou dávku paliva. Lihová směs vyžaduje poměrně velký přídavek přísady, která umožňuje podstatné zlepšení schopnosti vznícení paliva, protože etanol je proti vznícení ještě odolnější než benzín. Přidáním přísady se dosáhne konverze vysokého oktanového čísla etanolu na dostatečně vysoké cetanové číslo, takže takto aditivované palivo má v motoru přijatelnou schopnost vznícení a přijatelně krátkou prodlevu vznícení. Pokud přidané množství vhodné přísady není dostačující pro zajištění dobré schopnosti vznícení paliva, musí být proveden nejen zásah do palivové soustavy, ale i do konstrukce spalovacího prostoru motoru s cílem zvýšení kompresního poměru až na hodnoty 23:1 a event. ještě vyšší. První varianta, používající lihové palivo se zlepšenou schopností vznícení díky dostatečnému množství přísady, má sice tu výhodu, že není třeba provádět zásah do konstrukce samotného motoru a dále, že lze snadno z lihového paliva přejít zpět na motorovou naftu. Cena vhodných přísad však významně navyšuje cenu tohoto alternativního paliva. 9
2.4. Alternativní palivo vyžadující zásadní konstrukční úpravy motoru Použití tohoto druhu alternativního paliva vyžaduje zásah do konstrukce spalovacího motoru nebo vozidla. Typickým představitelem této skupiny alternativních paliv je CNG nebo LNG (stlačený nebo zkapalněný zemní plyn), určený k pohonu vznětového motoru. U vznětového motoru, který má být provozován na tento druh alternativního paliva, musí být konstrukčně změněn princip zapalování na zážehový se zapalovací svíčkou. V tomto případě lze pak vozidlo provozovat pouze již jen na alternativní palivo, návrat k provozu na původní palivo již není možný. Plynné skupenství tohoto druhu alternativního paliva vyžaduje objemově mnohem větší silnostěnné palivové nádrže, přesto vozidla s tímto druhem alternativního paliva disponují daleko nižším dojezdem, rovněž plnící stanice CNG nejsou dosud dostatečně rozšířeny. Z tohoto důvodu jsou díky těmto omezením vozidla s pohonem na CNG provozována převážně pouze v určitých lokalitách (většinou autobusová městská a příměstská doprava). 10
Základní schéma pohonu vozidla na CNG 11
2.5. Alternativní palivo použitelné pouze u nové konstrukce motorů Představitelem tohoto alternativního paliva je vodík. a) Vodík může být použit po konstrukčních úpravách v jakémkoliv druhu spalovacího motoru jakožto náhrada běžného uhlovodíkového paliva. Výfukové plyny takového motoru vykazují výrazně nižší úrovně škodlivých emisí, zcela odpadají emise CO a CO 2. Nezbytné konstrukční úpravy se týkají nejen spalovacího prostoru motoru, ale také palivové soustavy, počínaje nádrží ve vozidle, až po vhodné dávkování paliva do spalovacího prostoru. A nestačí ani to, musí být vybudován samostatný systém distribuce a plnění vodíkového paliva - výdejní stojany, nádrže, cisterny, systém rozvozu. Náročnost budování infrastruktury vodíkového paliva je obdobná s budováním plnicích stanic LPG pro vozidla, která se u nás během posledního desetiletí dobře zavedla. 12
b) Palivem budoucnosti je vodík v součinnosti s palivovými články. Palivové články samy o sobě nepředstavují žádný pohon. Palivový článek je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxidačně-redukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. A teprve potom může přijít na řadu pohon: získanou elektrickou energii můžeme použít k napájení elektromotoru, který může pohánět např. vozidlo. Palivový článek je možno si představit jako elektrolýzu naruby. Totiž tak, že k jedné elektrodě přivádíme vodík, ke druhé elektrodě kyslík nebo jiné okysličovadlo, přitom je mezi elektrodami místo vody jiný vhodný elektrolyt a za přítomnosti katalyzátoru zde dochází k chemickému slučování kyslíku a vodíku na vodu. Přitom na elektrodách vzniká elektrické napětí a mimoto reakce produkuje obvykle i teplo. Ale žádný plamen, žádné výbuchy, v naprosté tichosti probíhá přímá přeměna energie paliva na elektrickou energii. Navíc prakticky nevznikají žádné škodlivé emise, pouze vodní pára. Největší překážkou v širším rozvoji těchto technologií je dosud vysoká cena a neexistující infrastruktura vodíkového paliva. 13
DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST 14