Dopad spalování rostlinných olejů ve vznětových motorech na výfukové emise

Rostlinné oleje lisované z řepky, sóji, slunečnice, hořčice a dalších rostlin jsou již po mnoho století používané jako místní obnovitelná udržitelná biopaliva pro dopravu – po většinu historie pěší, v posledních sto letech, po vynalezení vznětového motoru Rudolfem Dieselem, pak i motorizovanou.

V současné době je v ČR využíván převážně olej řepkový, který není spalován přímo, ale je použit k výrobě metylesteru řepkového oleje (MEŘO), který je pak přimícháván do motorové nafty. Menší množství olejů je však spalováno v čisté formě, přímo, bez esterifikace, a to zpravidla v upravených vznětových (naftových) motorech s vyhřívaným přídatným palivovým systémem (v benzinových motorech rostlinné oleje spalovat nelze). Motor je nastartován a ohřán na ropnou naftu, poté provozován na ohřátý rostlinný olej, a před odstavením je opět provozován na naftu. Kromě instalace přídatného systému takovýto provoz, popsaný také v předchozím článku (Vojtíšek, Jezdíme na rostlinný olej) zpravidla nevyžaduje konstrukční zásahy do motoru, využití olejů je však omezeno pouze na delší provoz při středních až vyšších zatíženích.

Dle mnohých laických pozorování je provoz motoru na rostlinný olej spojen s charakteristickým zápachem smažených pokrmů, případně s bílým kouřem. Je obecně známo, že emise ze vznětových motorů (provozovaných na klasickou naftu) jsou zdraví škodlivé, zejména proto, že obsahují velmi jemné částice, které obsahují škodlivé organické sloučeniny, a které při vdechnutí pronikají hluboko do plic, kde se část usadí. Malé částice mají schopnost proniknout buněčnou membránou do krevního oběhu, čímž jsou škodlivé látky rozmísťovány po celém těle. Vědecké studie též poukazují na vznik škodlivých polycyklických aromatických uhlovodíků a aldehydů (např. akrylaldehydu) při procesu smažení, a na výskyt různých onemocnění u osob dlouhodobě vystavených parám při smažení. Je proto zcela na místě se zabývat otázkou, jaký dopad má provoz motorů na rostlinné oleje na výfukové emise.

Hlavními složkami škodlivin emitovaných spalovacími motory jsou plynné organické látky (HC), oxid uhelnatý (CO), částice (PM) a oxidy dusíku (NO_x). Mezi hlavní skleníkové plyny pak patří oxid dusný (N₂O), metan (CH₄) a oxid uhličitý (CO₂). Vliv náhrady nafty rostlinným olejem na klasické emise je výsledkem dílčích vlivů vlastností paliva na jednotlivé pochody, a velmi závisí na typu motoru a na provozním režimu motoru.

Obecné trendy vlivu spalování rostlinných olejů na emise v závislosti na otáčkách a zatíženích motoru jsou znázorněny na grafu č. 1. Konkrétní příklady výsledků měření emisí základních sledovaných složek na traktorovém motoru Zetor 1505 jsou na grafech 2-5.

Spalování rostlinného oleje je problematické za nižších zatíženích, kdy olej, který má vyšší viskozitu než nafta a na rozdíl od nafty se začíná odpařovat až při 250-300 °C, se hůře atomizuje, a zároveň vzniklé kapičky se odpařují obtížněji než nafta. Relativně velké množství paliva je pak spáleno neúplně nebo vůbec. Tím výrazně narůstají emise HC, CO a PM, zároveň větší množství nespáleného rostlinného oleje proniká do mazacího oleje. Emise NO_x, které se tvoří z atmosférického dusíku za vysokých tlaků a teplot, jsou nižší.

Míra, do jaké je spalování problematické, narůstá s klesajícím zatížením motoru, klesající teplotou paliva, klesající teplotou motoru, a dobou, po kterou motor v režimech nízkých zatížení setrvává. V extrémních případech dlouhého volnoběhu dochází k usazování nespáleného rostlinného oleje ve výfukovém potrubí - v případě dlouhého volnoběhu studeného motoru a studeného paliva se jednalo o necelou třetinu paliva spotřebovaného motorem.

Při středních a vyšších zatíženích a při plném zatížení je rychlost tvoření směsi paliva se vzduchem omezena vířením náplně válce a čas mezi vstřikem paliva a jeho vznícením se mezi naftou a rostlinným olejem téměř neliší. Vyšší rychlost šíření tlakové vlny (rychlost zvuku) v rostlinném oleji oproti naftě ale u klasických motorů zpravidla způsobí dřívější vstřik, a tím i dřívější vznícení. To je, ve spojení s vyšším obsahem kyslíku v palivu (10-11% v rostlinných olejích, téměř žádný v naftě) spojeno s mírně vyššími emisemi NO_x. Díky vysokému obsahu kyslíku a složení paliva jsou pak zpravidla nižší celkové emise HC, CO a PM. Toto neplatí obecně, u některých motorů byly při provozu na rostlinný olej pozorovány vyšší emise CO, u jiných motorů pak vyšší emise PM.

Byl-li ale motor předtím provozován na nízká zatížení, nánosy rostlinného oleje, uložené na površích spalovacího prostoru a výfukového systému, se uvolní, čímž se alespoň na krátkou dobu emise HC, CO a PM zvýší. V případě dlouhého volnoběhu, například při čekání v dopravní zácpě, před přejezdem pak dochází po navýšení výkonu například při prudkém rozjezdu k rozkladu rostlinného oleje nashromážděného ve výfukovém systému a emisím výrazně a charakteristicky zapáchajícího bílého kouře.

Oproti tomu emise z motoru provozovaného na vyšší zatížení jsou u moderních motorů v dobrém technickém stavu prakticky bez zápachu. Málokdo se však v blízkosti takových motorů pohybuje (např. autobusy, lokomotivy, lodě při jízdě cestovní rychlostí) – většina pozorovatelů je v blízkosti málo zatěžovaných motorů vozidel projíždějících uličkami ve městech, kde je spalování problematické.

V uhlovodících jsou oproti naftě více zastoupeny škodlivé aldehydy formaldehyd a acetaldehyd, dále etylen a mastné kyseliny a jejich deriváty, včetně nespáleného rostlinného oleje, který je dominantní složkou při velmi nízkých zatíženích. Obsah 16 polyaromatických uhlovodíků (PAU) sledovaných dle norem ISO 11338 a US EPA 429 (polyaromatických uhlovodíků je více, tyto jsou považovány za problémové) byl dle měření autora na traktorovém motoru Zetor celkově přibližně o čtvrtinu nižší, snížení bylo ale více patrné u „lehčích“ PAU, u „těžších“ PAU docházelo naopak ke zvýšení. Celkový toxický potenciál, vypočtený jako ekvivalent benzo(a)pyrenu s využitím relativních faktorů pro každý ze sledovaných PAU, se výrazně nelišil mezi provozem na naftu a řepkový olej během osmibodového testu pro nesilniční motory ISO 8178, ale byl přibližně dvojnásobný při provozu na nízká zatížení, přičemž se výsledky lišily pro tři hlavní publikované soubory hodnot přepočetních faktorů.

Částice produkované při provozu na rostlinný olej byly oproti provozu na naftu obecně menší. Při vyšších zatíženích byly nižší emise všech velikostí částic, při nízkých zatíženích byly naopak emise všech částic vyšší, s největším rozdílem u částic o průměru několika desítek nanometrů. Při středních zatíženích pak byly koncentrace velmi jemných částic (několik desítek nm) vyšší a větších částic (100-500 nm) nižší. Oproti naftě byl v částicích menší podíl elementárního uhlíku (houbovitých černých sazí) nižší a podíl organických látek odpařitelných za vyšších teplot byl vyšší.

Obdobné trendy pro základní složky emisí byly pozorovány autorem na vznětových motorech různých výrobců, stáří, konstrukcí a velikostí, měřených jednak v laboratoři, jednak během reálného provozu přenosnou aparaturou umístěnou na palubě vozidla a obecně se shodují i s měřeními provedenými jinými skupinami. Rozdíly mezi jednotlivými druhy olejů jsou relativně malé, větší rozdíly jsou mezi typy motorů, individuálními motory a různými provozními režimy.

V Tabulce 2 jsou uvedeny souhrnné výsledky z měření na lehkém nákladním automobilu Ford F-350, který byl autorem provozován na zkušebně v USA na naftu, čistou bionaftu a použitý fritovací olej. Na grafu 6 je průběh emisí částic u dodávkového automobilu Volkswagen Transporter, který byl měřen během typické jízdy ve státě Montana při provozu na naftu, použitý fritovací olej, a metyl- (FAME) a etyl-ester (FAEE) použitého fritovacího oleje.

Závěrem lze konstatovat, že vliv náhrady nafty rostlinnými oleji na emise škodlivých látek je relativně příznivý u motorů dlouhodobě provozovaných ve středních až vyšších zatíženích (dálkové autobusy, kamiony, lodní motory, rychlíkové lokomotivy). Naopak při delším provozu na nízká zatížení, zejména nejsou-li palivo nebo motor dostatečně prohřáty, dochází k významnému navýšení produktů neúplného spalování a též lze při tomto režimu předpokládat navýšení zdravotního rizika. Proto lze rostlinné oleje doporučit spíše jako palivo na dlouhé tratě mezi městy a naopak nedoporučit pro krátké pojížďky (krátké cesty automobilem, manipulační stroje, posunovací lokomotivy) nebo pro jízdu v hustém městském provozu.

Jako alternativu pro krátké cesty nízkou rychlostí v městských aglomeracích lze rostlinného oleje, místo jeho spalování v motoru automobilu, daleko lépe využít jako pokrmu a energii v něm obsaženou využít pro zdraví obecně prospěšnější dopravu pěšky nebo na kole.

Poznámka: Příspěvek vychází z doktorské disertační práce a dalších prací autora, ve kterých jsou uvedeny úplné odkazy na zdroje informací a které jsou k dispozici na požádání.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu