SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA TECHNICKÁ FAKULTA PREVÁDZKOVÉ PARAMETRE VZNETOVÉHO MOTORA S VYBRANÝMI ALTERNATÍVNYMI PALIVAMI

Transcript

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA TECHNICKÁ FAKULTA PREVÁDZKOVÉ PARAMETRE VZNETOVÉHO MOTORA S VYBRANÝMI ALTERNATÍVNYMI PALIVAMI 2010 Ján POLERECKÝ, Bc.

2 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA TECHNICKÁ FAKULTA PREVÁDZKOVÉ PARAMETRE VZNETOVÉHO MOTORA S VYBRANÝMI ALTERNATÍVNYMI PALIVAMI DIPLOMOVÁ PRÁCA Študijný program: Pracovisko (katedra/ústav): Vedúci diplomovej práce: Dopravné stroje a zariadenia Katedra vozidiel a tepelných zariadení Juraj JABLONICKÝ, Ing.,PhD Nitra 2010 Ján POLERECKÝ, Bc.

3 Čestné vyhlásenie Podpísaný Ján Polerecký vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému Prevádzkové parametre vznetového motora s vybranými alternatívnymi palivami vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé. V Nitre 15. marca 2010 Ján Polerecký

4 Poďakovanie Na tomto mieste chcem poďakovať vedúcemu diplomovej práce Jurajovi JABLONICKÉMU, Ing., PhD za vedenie a pomoc pri vypracovaní tejto diplomovej práce. Ján Polerecký

5 Abstrakt v štátnom jazyku Slovenská poľnohospodárska univerzita Technická fakulta Odbor: dopravné stroje a zariadenia Autor: Ján Polerecký, Bc. Diplomová práca: Prevádzkové parametre vznetového motora s vybranými alternatívnymi palivami Vedúci práce: Juraj Jablonický, Ing., PhD Práca v prvej časti charakterizuje súčasne používané palivá, tvorbu emisií u vznetových motorov a možnosti ich znižovania. V druhej časti porovnáva a hodnotí vybrané druhy palív, ktorých vlastnosti boli skúšané v testovacích motoroch. Kľúčové slová: biopalivo, motor, otáčková charakteristika, enviropal, metylester Abstrakt v cudzom jazyku Slovak University of Agriculture Technical faculty Major: Traffic Machines and Devices Author: Ján Polerecký, Bc. Graduation theses: Operation Parameters of Diesel Engine with Selected Alternative Fuels Supervisor: Juraj Jablonický, Ing.,PhD In the first part the graduation theses characterizes commonly used fuels, creation of diesel engine emissions and possibilities of their lowering. In the second part it compares and values selected fuels, whose properties were tested in experimental engines. Keywords: biofuel, engine, engine-speed map, enviropal, methylester 4

6 Obsah Obsah... 5 Zoznam skratiek a značiek... 6 Slovník termínov Úvod Palivá pre vznetové motory Fosílne palivá Nafta Alternatívne palivá Bionafta Tvorba emisií vo vznetovom motore Moderné trendy vstrekovacích systémov Systém vstrekovania paliva Common Rail Systém vstrekovania paliva združenou vstrekovacou jednotkou čerpadlo- tryska Spôsoby znižovania emisií Recirkulácia výfukových plynov Filter pevných častíc Metodika práce Vlastná práca Požiadavky na prístroje Meraný objekt Vstupné parametre vybraných druhov palív Meranie otáčkovej charakteristiky skušobného motora Z-8002 Turbo Skúšané palivo motorová nafta (trieda B) Meranie vonkajšej charakteristiky skušobného motora MD Skúšané palivo motorová nafta Skúšané palivo metylester repkového oleja MERO Skúšané palivo ENVIROPAL Záver Zoznam použitej literátury Prílohy

7 Zoznam skratiek a značiek Symbol Základná jednotka Význam P kw výkon motora D m -1 dymivosť motora k m -1 súčiniteľ absorpcie svetla m pe g/kw.h merná spotreba motora M k N.m -1 krútiaci moment motora M p l.h -1 hodinová spotreba paliva λ - súčiniteľ prebytku vzduchu CO CO 2 DÚ HC H 2 H 2 O NO N 2 NO x NO 2 O 2 S SO x SO 2 oxid uhoľnatý oxid uhličitý dolná úvrať uhľovodíky vodík (hydrogénium) voda (vodná para) oxid dusnatý dusík (nitrogénium) oxidy dusíka oxid dusičitý kyslík (oxigénium) síra (sulfur) oxidy síry oxid siričitý 6

8 Slovník termínov Cetánové číslo - paliva je rovné percentuálnemu objemovému podielu cetánu (C16H34) v zmesi s alfametylnaftalínom (C11H10), ktorá má na skúšobnom zariadení rovnaký prieťah vznietenia ako porovnávané palivo. Čistý cetán má cetánové číslo 100, alfametylnaftalín má cetánové číslo 0. Dymivosť - optický efekt sprevádzajúci emisiu pevných, kvapalných a plynných nečistôt rozptýlených vo výfukových plynoch vznetového motora. Opacita fyzikálna vlastnosť charakterizujúca pohltivosť prostredia, vyjadrená hodnotou súčiniteľa absorpcie svetla. Dymomerom - meradlo, ktoré vyhodnocuje optické vlastnosti výfukového plynu meraním opacity. Teplomerom - meradlo na meranie teploty motora. Otáčkomerom - meradlo na meranie otáčok motora. Voľnobeh rozumejú sa ním otáčky nezaťaženého motora, zahriateho na prevádzkovú teplotu, pri uvoľnenom pedáli akcelerácie, bez zapnutých prídavných (vypínateľných) spotrebičov a agregátov zaťažujúcich motor alebo palubnú elektrickú sieť odberom výkonu, keď v činnosti nie sú, okrem systému voľnobehu, žiadne iné prídavné zariadenia na obohatenie zmesi, alebo zariadenia pre štart. Prevodovka je v stave neutrál, spojka je zapnutá. Maximálne otácky - najvyššie otáčky nezaťaženého motora, dosiahnuté pri úplnom stlačení pedálu akcelerácie. Súčiniteľ absorpcie jednotka opacity charakterizujúca optickú pohltivosť prostredia. Korigovaný súčiniteľ absorpcie používa sa na stanovenie maximálnej prípustnej dymivosti. Je stanovený pri homologizačnej skúške podľa požiadaviek smernice EU č. 72/306 (resp. predpisu EHK č. 24). Rozptyl rozdiel medzi maximálnou a minimálnou vyhodnocovanou hodnotou súčiniteľa absorpcie. 7

9 1. Úvod Ľudstvo za posledných sto rokov zaznamenalo dynamický rozvoj spoločnosti, ktorý nabral závratné tempo. Okrem vedecko-technického rozvoja začalo ľudstvo zároveň nepriaznivo zaťažovať aj životné prostredie. Ide najmä o emisie škodlivín, hlavne skleníkových plynov, ktoré spôsobujú postupné nezvratné otepľovanie planéty a narúšajú rovnováhu v prírode kyslými dažďami. Hovoríme tu predovšetkým o oxide uhličitom (CO), oxidoch dusíka (NO X ), metáne (CH 4 ) a oxidoch síry (SO X ). Tieto plyny sa do ovzdušia dostávajú spaľovaním fosílnych palív (ropy, uhlia a zemného plynu). Spolu s rastom spoločnosti rastie aj spotreba energií z dôvodu zvyšovania počtu obyvateľov a takisto nezanedbateľným rastom životnej úrovne. Táto situácia vedie k zvyšovaniu výroby energie, pričom využívanie tradičných palív smeruje k celkovému vyčerpaniu zdrojov fosílnych palív, a to už v najbližších desaťročiach. To je dôvod, prečo sa musí ľudstvo zaoberať otázkou znižovania spotreby energie získanej z klasických palív, alebo hľadať iné formy energie. Jedným z možných riešení je hladať nové alternatívne zdroje energie. Má to opodstatnenie, ak zoberieme do úvahy vyčerpateľnosť fosílnych palív, na ktorých je postavená prevažná časť celosvetovej energetiky. Alternatívne palivá by mali nielen nahradiť klasické palivá, ale zaroveň musia byť šetrné ku životnému prostrediu. V súčasnosti je najvýznamnejším palivom pre vznetové spaľovacie motory motorová nafta. Keďže je aj táto vyčerpateľná, musí sa v blízkej budúcnosti aspoň čiastočne nahradiť palivom na inom než ropnom základe.. 8

10 2. Palivá pre vznetové motory 2.1. Fosílne palivá Energia, ktorú dnes využívame (teplo, elektrina, palivá pre motorové vozidlá), má svoj pôvod prevažne vo fosílnych palivách. Uhlie, ropa alebo zemný plyn sú práve takýmito palivami. Tieto palivá sa nachádzajú pod zemským povrchom, kde vznikali po milióny rokov rozkladom pravekých rastlín a živočíchov. Hoci sa fosílne palivá pôsobením prírodných síl (tepla a tlaku) stále vytvárajú, ich súčasná spotreba mnohonásobne prevyšuje ich tvorbu. Skutočnosť, že nie sú doplňované tak rýchlo, ako ich spotrebovávame, znamená, že pri tomto spôsobe spotreby ich v blízkej budúcnosti vyčerpáme. Z toho dôvodu sa fosílne palivá považujú za neobnoviteľné. Obmedzenosť zdrojov palív nie je však jediná hrozba, ktorej ľudstvo čelí. Spaľovanie fosílnych palív vedie tiež k vážnemu poškodzovaniu životného prostredia. Fosílne palivá môžeme rozdeliť na: - rašelinu, - uhlie, - ropu. Ďalšia časť tejto práce sa bude zaoberať hlavne palivami pochádzajúcimi z ropy, preto budem pozornosť venovať hlavne fosílnym palivám ropného pôvodu. Ropné palivá môžeme definovať ako palivá obsahujúce uhlík C a vodík H vo vzájomnej chemickej väzbe. Hovoríme o tzv. uhľovodíkových palivách. Môžu takisto obsahovat aj iné chemické prvky vrátane ich zlúčenín. V takom prípade ide o palivá neuhľovodíkové. Najviac používaným palivom ropného pôvodu pre vznetové motory je nafta Nafta Motorová nafta (alebo nafta, palivová nafta, plynový olej) je kvapalné palivo tvorené zmesou ťažšie odpariteľných uhľovodíkov a ďalších prídavných látok. Obvyklý počet atómov uhlíka v jednotlivých molekulách uhľovodíkov tvoriacich základ zmesi je 9 až 22. Nafta sa používa ako palivo pre väčšinu vznetových motorov. Najčastejšie sa vyrába hydrogenizáciou frakcií z destilácie ropy (obr.1). 9

11 Obr.1 Frakčná destilácia ropy Základné vlastnosti nafty : Frakčné zloženie Frakčné zloženie vyjadruje destilačná krivka závislosť odpareného podielu paliva od teploty. Teplota začiatku destilácie (odparenie 10% paliva) má vplyv na bod vzplanutia paliva. Pohybuje sa v rozmedzí C. Teplota stredu destilačnej krivky (odparenie 50% paliva) má vplyv na tekutosť nafty. Podľa neho sa nafta delí na: - ľahkú do 250 C, - strednú od 250 do 300 C, - ťažkú nad 300 C. Vznietivosť Vznietivosť motorovej nafty je dôležitá vlastnosť pre jej praktické uplatneni vo vznetových motoroch. Charakterizuje ju tzv. prieťah vznietenia. Je to čas, ktorý uplynie od okamihu vstreknutia nafty do spaľovacieho priestoru po okamih, keď začne nafta horieť. Pretože tento čas závisí od zloženia a destilačných vlastností nafty, ale aj od konštrukčných a prevádzkových parametrov motora, na porovnávanie sa v praxi zaviedol iný parameter cetánové číslo. Cetánové číslo vyjadruje objemové percento cetánu v zmesi s alfametylnaftalínom, ktoré má na skúšobnom zariadení rovnaký prieťah vznietenia ako skúšané palivo. 10

12 Vyššie cetánové číslo paliva spôsobí: - skrátenie prieťahu vznietenia, - zníženie hluku spaľovania, - zlepšenie spúšťacích vlastností motora, - zníženie usadenín a kalov v spaľovacom priestore. Príliš vysoké cetánové číslo však môže prispieť k zvýšenej tvorbe exhalátov. Pre rýchlobežné motory sa odporúčajú palivá s cetánovým číslom 40 až 55. Hustota Hustota nafty meraná pri 20 C v závislosti od jej zloženia kolíše v rozmedzí medzi 0,8 0,88 kg.dm -3. Nafta s väčšou hustotou má horšiu atomizáciu (rozprášenie na drobné čiastočky), ale zároveň väčšiu prieraznosť lúča. Pri rovnakom vstreknutom objeme poskytne ťažšia nafta vyšší výkon, vplyvom väčšieho množstva dodaného tepla. Viskozita Viskozita nafty meraná pri 20 C sa pohybuje v rozsahu 2, m 2.s -1. Nízka viskozita zhoršuje mazacie vlastnosti nafty, zvyšuje prienik nafty do skrine palivového čerpadla s následným riedením mazacieho oleja. Napriek tomu sa menej viskózne palivo lepšie rozprašuje. Palivá s vyššou viskozitou sa horšie vznecujú a majú sklon k nedokonalému spaľovaniu. Viskozita určuje takisto spolu s povrchovým napätím veľkosť kvapiek paliva rozprášeného do spaľovacieho priestoru vstrekovacou dýzou. Tie sa premiešavajú so vzduchom. Menšie kvapky mají relatívne väčší povrch, a preto lepší styk so vzduchom. Výsledkom je dokonalejšie prehorenie týchto menších kvapiek, a tým menšia tvorba pevných častíc. Teplota vylučovania parafínov Táto teplota charakterizuje správanie nafty pri nízkych teplotách. Parafíny sa ako prvé pri klesajúcej teplote stávajú tuhými látkami, čím zanášajú palivové potrubie, a môžu spôsobiť až prerušenie dodávky paliva. 11

13 Obsah síry Síra v palive a aj jej zlúčeniny po spálení spôsobujú koróziu častí motora. Preto sa v súčasnosti prechádza na produkciu nízkosírnych palív. Prísady Do nafty sa pridávajú v malom množstve prídavné látky, tzv. aditíva, ktoré zlepšujú jej vlastnosti pre zabezpečenie dobrej tekutosti. Tieto prísady sa pridávajú sezónne, podľa čoho výrobcovia rozlišujú: - letnú naftu, - prechodnú naftu, - zimnú naftu. Do nafty sa ďalej pridávajú prísady na zvýšenie cetánového čísla a katalyzátory horenia. (MOTEJL, 2001) 2.2 Alternatívne palivá Alternatívne palivá z hľadiska ich využitia možno rozdeliť do dvoch základných skupín: a) palivá priamo nahradzajúce klasické motorové palivá: - propán-bután (LPG skvapalnený ropný plyn), - zemný plyn v stlačenej forme (CNG) alebo v skvapalnenej forme (LNG), - vodík. Je samozrejmé, že pre používanie takýchto alternatívnych palív je nevyhnutné vykonať pomerne zložitú prestavbu vozidla a úpravu motora, alebo je možné používať ich iba pri takých vozidlách, ktoré boli vyrobené pre používanie konkrétneho alternatívneho paliva. Používanie alternatívnych motorových palív nemôže byť v rozpore s doporučením od výrobcu motora pre používanie motorového paliva. b) palivá vyrobené aspoň čiastočne na inej než ropnej báze (uhlie, zemný plyn, rastlinné, a teda obnoviteľné zdroje), ktoré sa používajú ako komponenty do klasických motorových palív: - metanol, - etanol, - étery, prevažne typu MTBE, ETBE, TAME, TAEE, 12

14 - estery (prevažne metylestery) mastných kyselín pripravené reesterifikáciou rastlinných, prípadne aj živočíšnych olejov (FAME, VOME, MERO, EERO) Bionafta Bionafta sa vyznačuje výnimočne dobrými emisnými hodnotami. Pri spaľovaní vzniká polovičný obsah sadzí, spaliny majú polovičnú dymivosť, nižší obsah oxidu uhličitého a minimalne množstvo oxidov síry. Nevýhody bionafty: - horšie štartovanie motora v zimnom období, - vyšší obsah oxidu dusíka v splodinách, - zvýšenie spotreby paliva, - riedenie mazacieho oleja, Hlavnou výhodou bionafty je jej biologická odbúrateľnosť, vysoká mazacia schopnosť a nízky obsah emisií. Bionafta je mastnejšia ako motorová nafta a jej prídavok do motorovej nafty znižuje opotrebenie motora. Čistá bionafta je netoxické ekologické palivo, ktoré neobsahuje síru ani aromatické látky a je ľahko odbúrateľné. Najväčšou nevýhodou je ekonomická náročnosť výrobného procesu. Ďalšou nevýhodou je, že pri styku s vodou vznikajú z bionafty mastné kyseliny, ktoré podporujú koróziu palivového systému. Z bionafty sa taktiež uvoľňujú organické usadeniny v palivovom systéme, ktoré zanášajú palivový filter. Bionafta horí pri spaľovaní lepšie ako klasická motorová nafta, čím dochádza k zníženiu dymivosti motora. Má tiež pri spaľovaní nižšie emisie oxidu uhoľnatého, síry a pevných častíc. Emisie NO X sú pri spaľovaní bionafty nepatrne vyššie ako pri klasickej ropnej nafte. (POLERECKÝ, 2008) 13

15 Tab.1 Porovnanie vlastností bionafty s klasickou motorovou naftou Ukazovateľ Jednotka Motorová nafta Metylester Cetánové číslo Výhrevnosť MJ.kg -1 42, Merná hmotnosť g.cm -3 0,8-0,86 0,87-0,88 Bod vzplanutia C Bod tuhnutia C Dymivosť m -1 0,49 0,26 Filtrovateľnosť C 5-15 Viskozita pri 0 C 20 C 100 C Destilačná skúška začiatok koniec mm 2.s ,7-2 C , Výroba bionafty Čisté rastlinné oleje nie sú vhodné ako priame palivo pre spaľovacie motory, pretože ich odpariteľnosť je nízka v dôsledku vysokej mólovej hmotnosti a vyššej viskozite. Výroba bionafty je v podstate bezodpadová technológia, pretože všetky vedľajšie produkty sa dajú ďalej využiť. Základnou surovinou pre výrobu sú olejnaté plodiny (obnoviteľné zdroje). Vo svetovom meradle pri výrobe prevláda sójový olej (USA), medzi ďalšie patria repkový olej, palmový olej, slnečnicový olej atď. Pri výrobe sa v lisovni na závitovkových 14

16 lisoch lisuje vysušené semeno repky olejnej. Olej odteká do nádrže cez olejový filter. Odpadom sú výlisky (šroty), ktoré sa ďalej využívajú na výrobu kŕmnych zmesí a prírodných hnojív. Na výrobu bionafty z týchto olejov je použitá chemická reakcia, ktorá sa nazýva reesterifikácia. Je to chemická reakcia, ktorá glycerol mení na olej, aby bol nahradený metanolom, použitím zásady ako katalyzátora. Jej výsledkom je metylester. Jedným príkladom takejto reakcie je metylester repkového oleja (MERO). Zvyšná forma spôsobená reesterifikáciou sa nazýva glycerín. Získaný glycerín je neutralizovaný kyselinou fosforečnou a odstránená pevná zložka sa suší. Konečným produktom je fosforečné hnojivo. Ďalším výťažkom glycerínu je technický olej, ktorý možno použiť ako vykurovací olej. Čistý glycerín je surovinou farmaceutického priemyslu, kde je potrebná 99,6% čistota. Využíva sa v kozmetike, pri výrobe liečiv a kozmetických prípravkov.(polerecky, 2008) 15

17 Obr. 2 Schéma výroby metylesteru repkového oleja 16

18 3. Tvorba emisií vo vznetovom motore Základným predpokladom správneho chodu spaľovacieho motora s vnutorným spaľovaním je optimálne zloženie zmesi palivo vzduch. V porovnaní so zážihovým motorom, pri vznetovom motore je tvorenie zmesi omnoho zložitejšie. Zmes sa tu tvorí priamo vo valci spaľovacieho motora vstreknutím paliva do kompresiou ohriateho vzduchu. Ak by pri horení paliva v spaľovacom priestore dochádzalo k dokonalej reakcii boli by produktom tohto spaľovania iba neškodné plyny dusík, kyslík, oxid uhličitý a voda. V skutočnosti je však situácia úplne iná. K procesu dokonalého spaľovania sa môžeme iba priblížiť. Do reakcie tu totiž vstupujú určité prvky, ktoré zabraňujú dokonalému spaľovaniu. V prvom rade je to samotné palivo, ktoré okrem uhľovodíkov obsahuje aj iné prísady na vylepšenie vlastností paliva, ktoré sa takisto zúčastňujú na procese horenia. Vznetový motor pracuje s prebytkom vzduchu (λ = 1,3 až 2). Práve tento prebytok vzduchu v spaľovacom priestore nie je rovnomerný a v každom okamihu spaľovania je iný v rozmedzí od λ = 0 až. Takisto k nedokonalému spaľovaniu prispieva aj teplota spaľovaieho priestoru. Napríklad podiel nespálených uhľovodíkov HC ovplyvňuje veľkosť priamo chladeného povrchu spaľovacieho priestoru. Počas spaľovania uhľovodíkového paliva so vzduchom vzniká oxidáciou uhlíka a vodíka oxid uhličitý a voda. Pri nedokonalej oxidácii týchto prvkov je vo výfukových plynoch prítomný aj oxid uhoľnatý a vodík. Kyslík sa vyskytuje vo výfukových plynoch, iba ak sa celý jeho obsah nespotrebuje na oxidáciu paliva. Ďalšie plyny, nachádzajúce sa vo výfukových plynoch, sú oxidy dusíka. Pri vysokých teplotách spaľovania oxidáciou dusíka obsiahnutého vo vzduchu vznikajú oxid dusnatý a oxid dusičitý. Podobne je to so sírou, ktorá so vzduchom oxiduje predovšetkým na oxid síričitý. Pre ľudský ogranizmus sú azda najnebezpečnejšie exhaláty sadze. Tieto vznikajú pri úplnom zamedzení prístupu vzduchu (napr. vo vnútri kvapôčky paliva) pri vysokej teplote. Nastáva dekompozícia molekúl uhľovodíkov, ktorá spôsobuje nezreagovanie uhlíka a vznik pevného uhlíka (sadzí) vo výfukových plynoch. Výfukovými plynmi z motora odchádzajú ešte ďalšie pevné častice, ktoré sú produktami degradácie mazacieho oleja, prach a iné častice, ktoré nezachytil vzduchový filter. Všetky tieto častice (sadze) tvoria emisie vznetového motora, ktoré sú sledované a vyhodnocované ako dymivosť vznetového motora. Tab.2 17

19 Zloženie výfukových plynov automobilových vznetových motorov Zložka Značka Jednotka Max. koncentrácia Toxicita + áno - nie Oxidy dusíka NO X ppm Oxid uhoľnatý CO ppm Sadze C g.m -3 0,2-0,5 + Nespálené uhľovodíky Alifatické Polycyklické (benzpyrén) CH X B-P ppm g.m -3 0,5-3,0 + + Aldehydy R-CHO formaldehyd H-CHO ppm akrolein CH 2.CH.CHO ppm Oxid siričitý SO 2 ppm Oxid uhličitý CO 2 % Vodík H 2 ppm cca Vodná para H 2 O % cca 6,0 - Dusík N 2 % cca 80 - Kyslík O 2 % cca 8,0 - Pevné častice, CO, HC a aldehydy sú výsledkom nedokonalého spaľovania aj vtedy, ked spaľovací motor pracuje s prebytkom vzduchu. Ich prítomnosť je sprevádzaná zvýšenou spotrebou paliva. Množstvo jednotlivých zložiek zastúpených vo výfukových plynoch závisí od priebehu chemických reakcií. Rozhodujúcim faktorom pri porovnávaní so zážihovým motorom, ktorého výfukové plyny sú takmer bez pevných nečistôt, je obsah pevných častíc, ktorý je určený stupňom ich začiernenia. Príčinou emisie pevných častíc je nehomogenita zmesi v spaľovacom priestore. Emisia pevných častíc je teda závislá na kvalite rozprášenia paliva pri jeho vstreku do valca. Z uvedeného vyplýva, že emisia 18

20 pevných častíc sa znižuje s rastúcim množstvom vzduchu privádzaným do spaľovacieho priestoru. Na pevné častice uhlíka sa naväzujú aj rôzne nespálené uhľovodíky. Tvorba sadzí je typická práve pri vznetových motoroch, pretože sa zápalná zmes tvorí priamo vo valci a nie je čas na jej homogenizáciu. Uhlík nie je pre ľudský organizmus toxický, ale dalšie častice, ktoré sa naň naväzujú, môžu byť vysoko toxické. Častice sa usádzajú v pľúcach, a umožňujú tak dlhodobé pôsobenie karcinogénov. Pevné častice sú takisto príčinou zimného smogu, typického pre teplotnú inverziu. Plynné škodliviny Oxid uhoľnatý je prudko jedovatý plyn, ktorý napáda krvinky. Na hemoglobin sa viaže oveľa rýchlejsie ako kyslík, a bráni tak okysličovaniu krvi. Krv nadobúda tmavočevenú farbu a hrozí nebezpečenstvo zadusenia. Krátkodobá koncentrácia 0,01%, ktorá sa bežne vyskutuje v čase dopravných špičiek, môže znamenať vážne ohrozenie zdravia účastníkov cestnej dopravy. Koncentrácia 0,03% pôsobiaca počas 3 hodín má smrteľný účinok, rovnako ako koncentrácia 0,16% počas jednej hodiny. Jeho percentuálne zastúpenie v emisiách vznetového motora ja pomerne malé. Vzniká v procese horenia, keď sa jeden atóm uhlíka spojí s jedným atómom kyslíka z nasatého vzduchu. Jeho tvorbu ovplyvňuje hlavne spôsob, regulácia a nastavenie dávkovania paliva. Nespálené uhľovodíky Uhľovodíky sú zložité organické zlúčeniny, ktoré vznikajú spojením atómov uhlíka a vodíka. Automobilové palivá sú zmesou uhľovodíkov s rozdielnymi vlastnosťami. Ich prítomnosť vo výfukových plynoch možno zdôvodniť tým, že teplota v spaľovacom priestore nie je v každom mieste rovnaká, ďalej môžu vznikať vynechaním spaľovacieho taktu, nedokonalým spaľovaním či odparovaním sa paliva z vozidla. Ich množstvo rastie priamoúmerne s klesajúcim prebytkom vzduchu. Všeobecne sa dá povedať, že na množstvo nespálených uhľovodíkov vplýva okrem zloženia zmesi aj celkový technický stav motora. 19

21 Aldehydy Patria medzi kyslíkaté deriváty organických zlúčenín. Sú to čiastočne zoxidované uhľovodíky, ktoré sa tvoria najmä pri nízkej teplote motora, hlavne pri spúšťaní studeného motora, keď sa častice paliva spaľujú v tesnej blízkosti chladných stien spaľovacieho priestoru. Vo vznetovom motore vznikajú pri tzv. studenom plameni (nízke zaťaženie a prebytok vzduchu). Pôsobia dráždivo na sliznice a oči a už pri nízkej koncentrácii a krátkych dobách, hlavne nenasýtené aldehydy (akrolein) a vyššie aldehydy všeobecne. Polycyklické aromatické uhľovodíky (PAH) sú zo všetkých aldehydov najnebezpečnejšie. Majú karcinogénny účinok na ľudský organizmus. Oxidy dusíka Vznikajú oxidáciou vzdušného dusíka, ktorý prichádza do valca zo vzduchu spoločne s kyslíkom potrebným pre oxidáciu paliva. Oxidácia dusíka je endotermická reakcia (reakcia absorbujúca teplo), nastáva teda ako súčasť mechanizmu, ktorým prírodné sily vzdorujú proti zvýšeniu teplôt. V emisiách naftových motorov sa nachádzajú všetky oxidy dusíka, ale vo veľmi rozdielnych koncentráciách. Najmenej škodlivý je oxid dusný (NO), ktorý v atmosfére zotrváva asi 5 dní, lebo sa ľahko mení na oxid dusičný (NO 2 ). Oxid dusičitý NO 2 je oveľa toxickejší než ostatné oxidy dusíka. Pôsobí dráždivo na oči, horné dýchacie cesty a v pľúcach reaguje s vodou na stenách sliznice a vznikajú zmesi kyseliny dusičnej HNO 3 a dusitej HNO 2, ktoré narúšajú ich normálnu funkciu. NO 2 znižuje obranné schopnosti ľudského organizmu, hlavne pľúc, lebo pri vdychovaní reaguje ako na začínajúce horenie a automaticky uzatvára prístup vzduchu do pľúc. Dôsledkom je pocit dusenia a nútenie do kašľa. Vytvára pevné adičné zlúčeniny s hemoglobínom, ktorý má k NO 2 podstatne vyššiu afinitu ako ku kyslíku. Najnebezpečnejšími produktami dusičnanov sú nitrosaminy, ktorým sa pripisujú karcinogénne účinky. Oxid siričitý SO 2 Je produktom horenia palív obsahujúcich síru. Je to prenikavo zapáchajúci bezfarebný plyn dráždiaci sliznicu, ktorý znižuje odolnosť organizmu voči infekciám. V ovzduší 20

22 reaguje s vodnou parou za vzniku agresívnych kyselín a na zem sa vracia v podobe kyslých dažďov. V motore spôsobuje chemickú koróziu, čím skracuje životnosť motora. Takisto spôsobuje negatívne reakcie na aktívnych plochách katalyzátorov (predovšetkým typu DeNO x a SCR), čím ich znehodnocuje a bráni ich ďalšiemu používaniu (TAKÁSZ, 1997; S-EKA, 2002;S-EKA, 2006). 3.1 Moderné trendy vstrekovacích systémov Palivová sústava vznetového motora má za úlohu dopravovať a vstrekovať palivo do valca motora v presne stanovený okamih a v presne stanovenom množstve. Tieto požiadavky na presnosť mechanické systémy už nedokázali splniť, preto vývoj v tejto oblasti napredoval, a v súčasnosti sú vstrekovacie sústavy vznetových motorov plne elektronicky riadené, a tak spĺňajú prísne požiadavky na presné vstrekovanie paliva, a tak výrazne ovplyvňujú tvorbu emisií a výkonové parametre motora. Vznetový motor je v súčasnosti najúčinnejší spaľovací motor s vnútorným spaľovaním. Z energie obsiahnutej v palive dokáže premeniť na mechanickú prácu 35 až 45%. Na tomto sa z veľkej časti podieľa palivová sústava, pretože, ako je uvedené v kap. 2, palivo najlepšie prehorí, keď je rozprášené na čo najmenšie čiastočky. Tvorba emisií klesá, výkon a efektívnosť motora stúpa. V súčasnosti používané vstrekovacie systémy pracujú z vysokým pracovným tlakom, ktorý dosahuje hodnoty až 250 MPa. Pri vznetových motoroch sa používa výhradne kvantitatívny spôsob tvorby zmesi, tzn. že pomer výslednej zmesi vo valci je určovaný zmenou vstrekovaného množstva paliva. Pri tomto spôsobe nie je v sacom potrubí zaradený žiadny akčný člen, ktorý by nastavoval množstvo nasávaného vzduchu do valca. Vo všebecnosti sa dá system vstrekovania paliva rozdeliť do dvoch základných skupín: - motory s priamym vstrekovaní paliva, označované aj DI (direct injection), - motory s nepriamym vstrekovaním paliva. Výhody a nevýhody motorov s priamym vstrekovaním: Medzi výhody radíme nižšiu mernú spotrebu paliva, jednoduchšie spúšťanie motora v zimnom období a jednoduchšia konštrukcia hlavy valcov. Prvé dve výhody sú výsledkom menších tepelných a hydraulických strát. K nevýhodám patrí nižší stredný efektívny tlak, väčšie maximálne tlaky vo valci, a tým zvýšené namáhanie súčastí, vyššie nároky na vstrekovací system, vyššie požiadavky na kvalitu paliva. 21

23 a) Obr. 3 b) Rez spaľovacieho priestoru nepriameho vstrekovania a Guľovitý spaľovací priestor vznetového motora s priamym vstrekom paliva. b Prstencovitý spaľovací priestor vznetového motora s priamym vstrekom paliva (Vlk, 2003). Výhody a nevýhody motorov s nepriamym vstrekovaním: Výhody tohto usporiadania sú vyšší stredný efektívny tlak vo valci, nižšie maximálne tlaky, mäkší chod motora, menšie nároky na vstrekovacie zariadenie a kvalitu paliva. Azda najväčšou výhodou je intenzívnejšie vírenie zmesi, a tým účinnejšie spaľovanie. Nevýhodami sú väčšia merná spotreba paliva, horšie spúšťanie motora v zimnom období, potreba žhaviacej sústavy a zložitejšie a drahšie konštrukcie hlavy valcov s komôrkou. (MOTEJL, 2001) a) Obr. 4 b) Rez spaľovacieho priestoru nepriameho vstrekovania a Spaľovací priestor vznetového motora s nepriamym vstrekom paliva a tlakovou komôrkou. b Spaľovací priestor vznetového motora s nepriamym vstrekom paliva a vírivou komôrkou (Vlk, 2003). 22

24 Systém vstrekovania paliva Common Rail Vstrekovacia sústava tohto druhu sa od ostatných líši tým, že vstrekovací tlak sa otáčkami palivového čerpadla nemení. Vysokotlakové čerpadlo nevytvára tlak paliva, ktorý by bol závislý od polohy vačkového hriadeľa. Preto musí byť tento systém vybavený aj dodatočným podávacím čerpadlom, ktoré musí podávať vysokotlakovému čerpadlu rovnomerný tlak paliva. Toto nízkotlakové čerpadlo je poháňané elektromotorom a vo väčšine prípadov býva umiestnené priamo v palivovej nádrži. Je vybavené regulátorom tlaku, ktorý zabezpečuje konštantnú úroveň tlaku. Palivo je čerpané z nádrže cez palivový filter a ohrievač paliva. Predohrievaním paliva sa predchádza vzniku parafínových kryštálikov pri nízkych teplotách. Medzi nízkotlakovým a vysokotlakovým čerpadlom je zaradený odpojovací ventil, ktorý sa otvára po dosiahnutí nastaveného tlaku. Vysokotlakové čerpadlo sa používa spravidla s radiálnymi piestami. Toto prevedenie je rozmerovo aj cenovo najvýhodnejšie. Obr.5 Systém vysokotlakového okruhu common rail 23

25 Aby bol objem dopravovaného paliva čo najrovnomernejší, používa sa nepárny počet piestov. Tlak paliva je udržovaný regulátorom výstupného tlaku vstrekovacieho čerpadla. Regulátor je ovládaný elektromagnetickým ventilom ovládaným riadiacou jednotkou. Pri zopnutí ventilu je prebytočné palivo odvádzané späť do nádrže alebo k vstupu vstrekovacieho čerpadla. Najčastejšie býva umiestnený buď priamo na zásobníku paliva, alebo vo vysokotlakovom čerpadle. Samotné palivo je potom zo zásobníka s konštatným tlakom dopravované už len veľmi krátkym potrubím k vstrekovacím dýzam, ktoré sú ovládané elektronicky prostredníctvom riadiacej jednotky. Tieto môžeme rozdeliť do dvoch skupín: - elektromagneticky ovládané (1. a 2. gen.), - piezoelektricky ovládané (3. a 4. gen.). Obr.6 Elektromagnetický vstrekovač Obr.7 Piezoelektrický vstrekovač 24

26 Elektromagneticky ovládané vstrekovače boli vyvinuté o niečo skôr ako piezoelektrické. V súčasnosti sa používajú piezoelektrické vstrekovače štvrtej generácie, pretože disponujú až štyrikrát vyššou dobou spínania ako vstrekovače ovládané elektromagneticky. Pracovný tlak týchto vstrekovačov je až 250 MPa. Priebeh vstreku paliva sa tak môže veľmi dobre prispôsobiť požiadavkám motora. Objem vstrekovaného paliva môže byť rozdelený až do siedmych čiastkových dávok. Celková dávka sa dá rozdeliť na jeden až dva predvstreky malého množstva paliva, ktoré slúžia predovšetkým na vytvorenie rovnomerne rozloženého tlaku, čo v konečnom dôsledku zníži hlučnosť spaľovania. Rozdelením hlavnej dávky sa obmedzí mechanické namáhanie častí motora za súčasného zníženia emisií. Po hlavnom vstreku môže nasledovať prvý dodatočný vstrek paliva, ktorý spáli častice sadzí, a druhý dodatočný vstrek, ktorý prispieva k regenerácii filtra pevných častíc. (FERENC,2006) Obr.8 Palivový systém vstrekovacieho zariadenia Common Rail 1 - palivová nádrž, 2 - sací kôš so sitkom, 3 - elektrické dopravné palivové čerpadlo, 4 - jemný čistič paliva, 5 - nízkotlakové palivové potrubie, 6 - vysokotlakové palivové čerpadlo, 7 - spätné palivové potrubie, 8 - odpojovací ventil piestovej jednotky čerpadla, 9 - regulátor tlaku paliva, 10 - vysokotlakové palivové potrubie, 11 - vysokotlakový zásobník paliva, 12 - snímač tlaku paliva v zásobníku, 13 - poistný ventil, 14 - obmedzovač prietoku, 15 - vstrekovač, 16 - riadiaca jednotka (JABLONICKÝ a TKÁČ, 2007). 25

27 Systém vstrekovania paliva združenou vstrekovacou jednotkou čerpadlotryska Sústavy s otáčkovo závislým priebehom tlaku vstrekovaného paliva používajú na jeho vytváranie vačky uložené na hriadeli, ktorý je poháňaný od vačkového, prípadne sú vačky na pohon vstrekovacích jednotiek súčasťou vačkového hriadeľa. Amplitúda tlaku paliva aj rýchlosť vstreku sa mení s otáčkami motora. S klesajúcimi otáčkami sa výstupná rýchlosť paliva z trysky zmenšuje a dochádza k horšiemu rozprašovaniu. Dostatočne rýchlym elektronickým riadením môže byť táto otáčková závislosť potlačená. Počiatok a koniec vstreku sa riadi elektromagnetickým ventilom. Pokiaľ je ventil otvorený, odteká palivo stláčané piestom čerpadla spätným potrubím do nádrže. Po uzavretí ventilu je tlakom paliva nadvihnutá ihla vstrekovacej trysky a začne vstrekovanie paliva do valca. Uskutočnenie takéhoto procesu zabezpečí združená vstrekovacia jednotka čerpadlo-tryska, označovaná tiež ako UI alebo PD. V takejto jednotke sú spojené obidve vysokotlakové časti vstrekovacej sústavy do jedného konštrukčného celku, pričom počet týchto jednotiek na motore závisí od počtu valcov motora. Jednotky sú umiestnené priamo v hlave valcov motora. Palivo je k nim dopravované kanálikmi v hlave valcov. Vysoký tlak paliva je vyvodený mechanickým účinkom vačky. Vačka potom tlačí na vahadlo, ktoré potom cez zdvihadlo pôsobí na piest vstrekovacej jednotky. Nábeh tlaku je pritom daný tvarom vačky a jeho strmosť požiadavkami príslušného motora. Spätný pohyb piestu je zaistený protipružinou. Samotný proces vstrekovania je riadený elektronicky prostredníctvom riadiacej jednotky, ktorá ovláda samostatne elektromagnetické ventily všetkých združených vstrekovacích jednotiek. Elektronická regulácia umožňuje ďalšie doplňujúce funkcie, akými sú teplotne závislé riadenie počiatku vstreku, regulácia tichosti chodu motora, alebo tlmenie vibrácií motora. Pretože pri tomto systéme odpadá vysokotlakové vstrekovacie potrubie, je tu možné použiť veľmi vysoké vstrekovacie tlaky. S použitím týchto vysokých tlakov v kombinácii s elektronickou reguláciou počiatku vstreku a veľkosti dávky paliva sa dosahujú výrazne nižšie emisie a pokojnejší chod motora. 26

28 Priebeh pracovného cyklu združenej vstrekovacej jednotky Pracovný cyklus sa začína fázou plnenia palivom. Pritom sa vačka natáča tak, že na piest čerpadla pôsobí pružina a piest sa pohybuje nahor, pričom sa zväčšuje objem vysokotlakového priestoru. Vinutie elektromagnetickeho ventilu je bez napätia, ihla je v pokojovej polohe, takže je odkrytý kanálik pre plnenie vysokotlakového priestoru. Objem čerpadla sa zapĺňa vplyvom tlaku, ktorý vytvára podávacie čerpadlo. Od svojej dolnej úvrate (horná poloha) je piest čerpadla tlačený vačkou smerom dole. Palivo, ktoré vysokotlakový priestor zaplnilo, je výtláčané jednak k vstrekovacej tryske a takisto k odtoku paliva do nádrže. Počiatok vstreku nastane po privedení napätia na elektromagnetický ventil, ktorý sa uzavrie. Ihla ventilu je zatlačená do sedla a uzavrie odtok paliva späť do nádrže. Tlak začne narastať a pôsobiť proti sile pružiny. Hneď ako sa tlak zvýši natoľko, že prekoná silu pružiny, ihla trysky sa nadvihne a začína predvstrek (pilotný vstrek). Malá časť paliva z vysokotlakového priestoru zatlačí na uvoľňovací piestik medzi týmto priestorom a pružinou trysky. Tým sa zvýši sila pružiny a tá zatlačí ihlu trysky späť do sedla, čím sa vstrekovanie preruší. Elektromagnetický ventil zostáva uzatvorený a piest počas ďalšieho otáčania vačky pokračuje pohybom nadol. Tlak paliva sa zvyšuje, ale na pružinu trysky pôsobí už len tlak drieku trysku, pretože uvoľňovací ventil je nadoraz, a tak bráni zvýšeniu uzatváracej sily pružiny tlakom paliva. Ihla trysky sa znovu nadvihne a vstrekuje sa hlavná davka. Pohybom piestu nadol tlak stúpa do vysokých hodnôt, pretože cez otvory trysky nemôže pretiecť také množstvo paliva, aké je piestom z vysokotlakového priestoru vytláčané. Koniec vstreku nastáva otvorením elektromagnetického ventilu tým, že riadiaca jednotka odpojí napätie privádzané do vinutia jeho cievky. Ihla trysky je navrátená do sedla silou pružiny a palivo vytláčané piestom môže odtekať do spätného potrubia. Súčasne pružina posunie uvoľňovací piest do jeho základnej polohy. 27

29 Obr. 9 Združená vstrekovacia jednotka 3.2 Spôsoby znižovania emisií V tejto kapitole sa budeme podrobnejšie venovať spôsobom ako dodatočne znížiť emisie vznetového motora potom, ako opustia spaľovací priestor. Tieto sa dajú dodatočne znížiť buď úpravou výfukových plynov vo filtroch pevných častíc, alebo recirkuláciou výfukových plynov Recirkulácia výfukových plynov Recirkulácia výfukových plynov sa používa za účelom zníženia emisií oxidu dusíka. Výfukové plyny spaľovacieho motora sú inertné, teda nehorľavé plyny. Primiešaním inertného plynu do nasávaného vzduchu sa v tomto obmedzí obsah kyslíka a dôjde k zníženiu spaľovacích teplôt vo valcoch. Tým pádom sa obmedzí tvorba oxidu dusíka. Recirkuláciou výfukových plynov sa môžu znížiť emisie oxidu dusíka až o 60%. Nevýhodou však je, že sa mierne zvýšia emisie oxidu uhoľnatého CO a nespálených 28

30 uhľovodíkov HC, ktoré pri zníženej teplote nezhoria úplne. Preto sa množstvo recirkulovaných plynov reguluje v závislosti od prevádzkových podmienok motora. Deje sa to buď prostredníctvom elektropneumatického meniča, ktorý využíva podtlak vyvodzovaný vákuovým čerpadlom na ovládanie ventilu recirkulácie výfukových plynov, alebo plne elektrickým ventilom, ktorý priamo využíva elektrické napätie na zmenu regulovanej veličiny. Tieto ventily riadi riadiaca jednotka, ktorá vyhodnocuje prevádzkové stavy motora a na ich základe ovláda celý proces recirkulácie výfukových plynov. Naviac takýto systém umožňuje aj dodatočnú funkciu využívanú spravidla v zimnom období. Pri studených štartoch motora je ventil recirkulácie naplno otvorený, aby mal motor bezprostredne po naštartovaní ihneď teplý vzduch, ktorý je za iných okolností produkovaný kompresiou motora. Takouto jednoduchou cestou je dosiahnutý vyrovnaný chod motora hneď po naštartovaní. Obr. 10 Schéma recirkulácie výfukových plynov Filter pevných častíc V tejto kapitole bude podrobne vysvetlený celý princíp priebehu a riadenia filtra pevných častíc a jeho regenerácie. V súčasnosti sa používajú dva druhy filtrov pevných častíc. - filtre bez dodatočnej aditivácie paliva, - filtre s dodatočnou aditiváciou paliva. Regenerácia filtrov bez aditivácie sa dá ďalej rozdeliť na pasívnu a aktívnu. Princíp pasívnej regenerácie spočíva v umiestnení filtra v bezprostrednej blízkosti motora. Výfukové plyny vychádzajúce z motora majú dostatočnú teplotu ( C), aby vo filtri zhoreli. Keby bol umiestnený vo väčšej vzdialenosti, stihli by plyny ochladnúť, vo 29

31 filtri by sa teda zachytávali, ale regenerácia filtra by nenastala. Časom sa však ukázalo, že napriek blízkosti filtra pri motore tento systém nerieši prípady prevádzky vozidla na krátke mestské cykly. Zhorenie sadzí trvá nejaký čas, a keď sa práve na začiatku regenerácie motor zastaví, regenerácia je neúčinná. Práve z tohto dôvodu sa vyvinul aktívny system regenerácie, na ktorý dohliada riadiaca jednotka motora. Pri tomto systéme je filter posunutý od motora o určitú vzdialenosť. Nevyžaduje sa tu totiž bezprostredná blízkosť motora. Princíp je taký, že sa kontinuálne meria tlak výfukových plynov pred aj za filtrom a zo zisteného rozdielu sa vypočíta okamžitá hodnota zanesenia filtra sadzami. Keď táto hodnota dosiahne 45% celkovej kapacity, ktorú je filter schopný zachytiť, spustí sa proces regenerácie. Začne sa tým, že riadiaca jednotka odstaví recirkuláciu výfukových plynov a zvýši vstrekovaciu dávku o malé množstvo paliva, ktoré sa vstrekne po hlavnej dávke. Tieto opatrenia pomôžu zodvihnúť teplotu spalín až na hodnotu 600 C, pri ktorej začína regenerácia filtra pevných častíc. Ani tento system však nie je dokonalý a takisto nie je imúnny proti zastaveniu motora z vôle vodiča. Regenerácia sa preruší a opätovne sa spustí, keď vozidlo nadobudne rýchlosť vyššiu ako 60 km.h -1. Ak sa znova proces preruší, riadiaca jednotka vykoná ďalšie dva pokusy o spustenie regenerácie. Ak sa to nepodarí, proces sa preruší a filter sa začne plniť ďalšími sadzami. Keď hodnota naplnenia filtru dosiahne hodnotu 50%, spúšťa sa nový cyklus regenerácie. Plyny o teplote C vstupujú do filtra a regenerujú ho. V prípade opakovaného prerušenia regenerácie uprostred jej cyklu sa na prístrojovom paneli rozvieti varovné svetlo. Ak by sa proces regenerácie neuskutočnil ani po tejto výzve, hrozí znehodnotenie filtra pevných častíc, ktoré je nezvratné. (Recirkulácia výfukových plynov [online], 2010) Obr.11 Filter pevných častíc 30

32 Systém aditivácie paliva Druhým používaným spôsobom regenerácie filtra pevných častíc je aditivácia paliva. Tento systém používa najmä francúzska skupina PSA, ktorá vyrába automobily Peugeot/Citroën. Aby bola zaistená správna a funkčná regenerácia filtra pevných častíc, pridáva sa do paliva aditívum, ktoré znižuje teplotu spaľovania pevných častíc približne o 100 C. Používané aditívum je zmes na báze cerínu. Táto zmes napustí pevné častice počas ich vytvárania v spaľovacom priestore, pretože je už obsiahnutá v palive. Následne podporuje zhorenie častíc vo filtri už pri teplote 450 C namiesto 550 C. Doba regenerácie je päť minút pre zhorenie 30g sadzí pri teplote 450 C. Pre porovnanie uvádzame, že bez dodatočnej aditivácie je doba regenerácie 30g sadzí tridsať minút pri teplote 550 C. Pri horení sadzí bez dodatočného aditivovania paliva sa musí najprv kyslík dostať medzi pevné častice. Nevýhodou je, že k dosiahnutiu reakcie kyslíka s uhlíkom je potrebná vyššia teplota. V prípade aditivovaného paliva je kyslík už prítomný vo vnútri sadzí, čo spôsobí, že je pri prebiehaní reakcie dostatok kyslíka, a tým pádom klesá potrebná teplota a takisto čas zhorenia. Aditívum je vo vozidle uchovávané v samostatnej nádrži umiestnenej v blízkosti hlavnej palivovej nádrže. Samotná aditivácia paliva prebieha po každom tankovaní paliva. Merač výšky hladiny paliva poskytne informáciu riadiacej jednotke, ktorá si vypočíta objem pridaného paliva. Na základe tejto informácie prostredníctvom čerpadla vstrekne presne stanovené množstvo aditíva do palivovej nádrže. Výrobca udáva, že jeden liter aditíva vystačí na úpravu až 2800 litrov paliva. (AUTOEXPERT, 2009) 31

33 Obr.12 Systém aditivácie paliva 1 - filter pevných častíc, 2 - tlakové sensory, 3 - riadiaca jednotka, 4 - vstrekovacie čerpadlo aditív, 5 - vysokotlakový okruh. 32

34 4 Cieľ práce Cieľom tejto diplomovej práce je zistiť technické a ekologické parametre vznetových motorov MD a Z 8002 Turbo pri použití vybraných druhov palív. Výsledky merania zistíme krátkodobým meraním na brzde v laboratórnych podmienkach Katedry vozidiel a tepelných zariadení Technickej fakulty SPU v Nitre. Parametre budú posudzované na základe výsledkov experimentálnych meraní výkonnostných parametrov traktorových motorov brzdením motora MD cez vývodový hriadeľ traktora a motora Z 8002 Turbo na brzdnom stanovišti pri použití rôznych palív. 33

35 5 Metodika práce Pre dosiahnutie stanoveného cieľa sme si zvolili nasledovné čiastkové úlohy: Štúdiom dostupnej literatúry, časopisov, noriem a firemných prospektov spracovať teoretický prehľad literatúry a východiská pre meranie. Zamerali sme sa hlavne na výrobu, použitie, vlastnosti palív, systém prípravy zmesi, spôsoby dodatočného znižovania emisií. Príprava skúšobného stanovišťa a meraného objektu na meranie. Meranie otáčkových charakteristík motorov - Z 8002 Turbo, - MD Spracovanie výsledkov merania do príslušnej formy (tabuliek a grafov), vyhodnotenie nameraných parametrov motora podľa príslušných tabuliek a grafov. Zhodnotenie významu merania pre prax a tendencie využívania biopalív v blízkej budúcnosti. Podmienky skúšok motorov v laboratórnych podmienkach V našich podmienkach sú predpisy pre vykonávanie laboratórnych skúšok spaľovacích motorov používaných v traktoroch zahrnuté nasledovných normách: ISO 2288 Skúšky motora na skúšobnom zariadení. STN ISO ( ) Poľnohospodárske traktory. Skúška výkonu na vývodovom hriadeli. STN Definícia výkonov. STN Motory traktorov a kombajnov. STN Poľnohospodárske a lesnícke traktory. Metódy skúšania. STN Definície výkonov. STN Piestové spaľovacie motory. STN Motory automobilové. Skúšky na brzdnom stanovišti. Podľa ISO 2288, STN a STN ISO ( ) sú podmienky pre skúšanie traktorových motorov v laboratórnych podmienkach nasledovné: 34

36 1. Skúška sa musí vykonávať s plným výkonom vstrekovacieho motora čerpadla pre vznetové motory. 2. Skúška sa vykonáva na motore po zábehu, v súlade s odporučením výrobcu, za podmienok stabilnej funkcie motora. 3. V rámci prípravy motora na skúšky musí byť vykonané nastavenie, ktoré sa v priebehu skúšok nesmie meniť. 4. Motory dodávané ku skúškam musia byť vybavené kompletne podľa priloženej technickej dokumentácie výrobcu, s dokladmi o preberaní technickou kontrolou výrobného podniku a protokolom o zábehu. 5. Všetky zásady a nedostatky o oprave sa musia v priebehu skúšok zaznamenať. 6. Atmosferické podmienky skúšky sa majú blížiť čo najviac referenčným, aby sa znížila hodnota korekčného činiteľa. To predstavuje atmosferický tlak 96,6 kpa a teplotu 23 ± 7 C. 7. Teplota vzduchu vstupujúceho do motora musí byť meraná v maximálnej vzdialenosti 0,15m od vstupu. Snímač teploty má byť chránený pred sálavým teplom a umiestnený vo vzdušnom prúde. 8. Odpočítavanie sa môže uskutočniť až vtedy, keď točivý moment otáčky a teploty sú približne konštantné po dobu minimálne jednej minúty. 9. Hodnota otáčok po ich nastavení sa nesmie zmeniť ± 1% alebo 10 min -1, pričom sa počíta s väčšou hodnotou. 10. Zaznamenáva sa priemerná hodnota dvoch stabilných meraní (líšiacich sa maximálne o 2%) zaťaženia, spotreby a teploty nasávaného vzduchu. 11. Pre meranie teploty a otáčok je stanovená minimálna doba merania 30s pri automatickom meraní a 50s pri ručnom meraní. 12. Ak nie je stanovené výrobcom inak, teplota chladiacej kvapaliny na výstupe má byť 80 ± 5 C a teplota oleja musí byť v rozmedzí C, pre motory chladené vzduchom musí byť udržiavaná teplota v presne špecifikovanom mieste podľa údaja výrobcu s toleranciou ± 20 C. 13. Teploty paliva na vstupe do vstrekovacieho čerpadla a kľukovej skrine (prípadne na výstupe z chladiča oleja), musí byť v hraniciach ± 5 C teploty stanovenej výrobcom motora s minimálnou hodnotou 30 C. 14. Výstupná teplota výfukových plynov musí byť meraná na prírube výfuku a má byť v stanovenom rozsahu. 35

37 15. Systém odvodu výfukových plynov v skúšobni nesmie vytvárať počas chodu motora tlak rozdielny od atmosferického tlaku s toleranciou ± 740 Pa (merané v mieste napojenia) 16. Chladič, ventilátor, vodné čerpadlo a termostat musia byť počas skúšky umiestnené tak, ako sú namontované na vozidle. 17. Sú stanovené pomocné zariadenia, ktoré musia byť do skúšky zahrnuté, ostatné musia byť počas skúšky vylúčené. 18. Skúšky motora majú byť vykonané bez prerušenia. Keď je potrebné motor v priebehu skúšok odstaviť, je nutné zabezpečiť jeho zahriatie na predpísané, ustálené hodnoty. (7, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35). 6 Vlastná práca 6.1. Požiadavky na prístroje V tejto časti budú podrobne rozobrané prístroje používané priamo pri meraní charakteristík, alebo sa akýmkoľvek spôsobom zúčastňovali na meraní. Teplomer Na meranie teploty sa najčastejsie používa teplomer, ktorého sonda je ponorená do mazacieho oleja v mieste zasunutia mierky hladiny oleja v motore. Hĺbku zasunutia treba vždy starostlivo premerať, aby nedošlo buď k neponoreniu snímača do oleja, alebo aby nedošlo ku kontaktu snímača a rotačných častí motora. Otáčkomer Pre zisťovanie úplnej otáčkovej charakteristiky je neodmysliteľnou súčasťou merania zariadenie na snímanie otáčok. Otáčkomery môžu pracovať na základe vyhodnocovania signálov pochádzajúcich z rôznych zdrojov. Sú to v podstate prevodníky prevádzajúce rôzne vstupné veličiny na elektrické napätie o frekvencii zodpovedajúcej otáčkam motora. Najpožívanejšie typy otáčkomerov sú: - otáčkomer s prstencovým snímačom, - otáčkomer s optickým snímačom, - otáčkomer so snímaním elektrického signálu palubnej siete, - otáčkomer s vibračným a akustickým snímačom. Dymomer 36

38 Princíp činnosti zisťovania dymivosti je založený na meraní úbytku intenzity svetla prechádzajúceho prostredím, ktoré je naplnené výfukovým plynom. Základnou jednotkou dymivosti je m -1 a vyjadruje hodnotu útlmu svetla prechádzajúceho stĺpcom vyhodnocovaného plynu. Pritom sa využíva odber vzorky plynov z vyústenia vyfukového systému, ktoré sú prostredníctvom odberovej sondy a spojovacej hadice dopravené vlastnou kinetickou energiou do meracej kyvety dymomera (v niektorých prípadoch môžu byť nasávané pomocou čerpadla). Konštrukcia dymomera Prístroj sa obyčajne skladá z dvoch častí. Vyhodnocovacia jednotka, ktorá spracováva a zobrazuje namerané veličiny prostredníctvom monitora alebo grafických displayov. Často býva vybavená záznamovým zariadením tlačiarňou nameraných hodnôt. Druhou časťou je meracia komora, ktorá je prepojená s vyhodnocovacou jednotkou cez napájacie a dátové vedenie. Meracia komora je s vozidlom spojená jedina odberovou sondou. Výfukové plyny sú privádzané do stredu meracej komory, ktorá je presvecovaná bielym svetlom vychádzajúcim zo zdroja na jednej strane. Oproti zdroju svetla na druhej strane je umiestnený snímač snímajúci úbytok svetla, ktorý zodpovedá dymivosti motora. Zdroj a snímač svetla sú pred znečistením sadzami chránené vzduchovou medzerou, ktorú vytvárajú ventilátory. Meracia komora je v podstate sklenený valec s dĺžkou zvyčajne 430 mm. Aby sa zabránilo roseniu vnútorného priestoru a aby boli vytvorené podmienky pre požadovanú opakovateľnosť meraní je táto komora kontinuálne vyhrievaná na teplotu okolo 100 C. Na meranie dymivosti nášho experimetnálneho merania bola použitá meracia zostava MAHA vybavená opacimetrom MAHA MDO 2 LON so softvérovým vybavením V1. 10/0.00.GB vyhovujúca požiadavkám na meracie zariadenia podľa predpisu EHK č. 24, vibračno-akustický snímač otáčok AVL DiSpeed 492. Použitý opacimeter vyhodnocuje dymivosť pri čiastočnom odbere vzorky výfukových plynov. Opacimeter MAHA MDO disponuje dvomi meracími módmi. - mód A (frekvencia vzorkovania = 0,2s) slúži pre učely homologácie, - mód B (frekvencia vzorkovania = 1s) mód pre meranie emisií vznetových motorov. Pri meraní dymivosti sme postupovali v súlade s Metodickým pokynom MDPaT SR výkon emisnej kontroly vznetového motora. pre Hodnota dymivosti D [m -1 ] sa vypočíta ako aritmetický priemer hodnôt súčiniteľov 37

39 absorpcie k zistených pri posledných troch voľných akceleráciách. kde: D - vypočítaná hodnota dymivosti [m -1 ]; k - nameraná hodnota súcinitela absorpcie [m -1 ]; N - poradové číslo merania; Rozptyl r je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hodnotou nameraného súčinitela absorpcie k posledných troch voľných akcelerácii N. Rozptyl r posledných troch zaznamenaných hodnôt nesmie byť väčší ako 0,5 m -1. r = max (A, B, C) ak: A = abs (k (N -2) k (N-1) ) B = abs (k (N-2) k N ) C = abs (k (N-1) k N ) Ak vypočítaná hodnota dymivosti z posledných troch akcelerácií je väčšia ako maximálna prípustná hodnota dymivosti nesmú byť namerané hodnoty súčinitela absorpcie v klesajúcom rade. Rad hodnôt je klesajúci, ak každá nasledujúca hodnota je menšia ako jej predchádzajúca. k N-2 > k N-1 > k N Obr.13 Schematické znázornenie meracej komory dymomera 38