Využití etanolu ve vznětových motorech

Doprava se stává jedním z hlavních znečišťovatelů ovzduší. V Evropské unii je dopravní sektor druhým nejvyšším producentem skleníkových plynů ihned po energetice. V České republice je na třetím místě za oblastmi energetiky a průmyslu. Klíčem ke snížení produkce skleníkových plynů je zlepšení účinnosti spalování ve vozidlech spolu s výrazným zvýšeným využíváním alternativních paliv, zejména biopaliv (1).

Jedním z vhodných biopaliv použitelných ve spalovacích motorech je bioetanol (v podmínkách ČR vyráběný převážně z cukrovky a obilí) (2). Použití bioetanolu v zážehových motorech nepředstavuje výrazný problém, je také podstatně rozšířenější než v motorech vznětových z důvodu odlišnosti parametrů etanolu a motorové nafty (tab. I.). Hlavní problém představuje nízká vznětlivost (cetanové číslo pouze 8), která musí být zvýšena speciálními aditivy. I přes výraznou aditivaci nelze etanol spalovat v běžných vznětových motorech, je tedy nutné provést jejich nezbytnou úpravu (3, 4). Základní úprava spočívá ve zvýšení kompresního poměru na 25 a více a změně dimenzování vstřikovacího systému, která je nutná vzhledem k nízké výhřevnosti etanolu. Takto upravený motor již nelze provozovat na běžnou naftu. V současné době je tento způsob využití bioetanolu ve vznětových motorech využíván firmou Scania, která ve švédském Stockholmu provozuje na dvě stě městských autobusů. Palivo, které je pak používáno v těchto motorech je označováno jako E95 a skládá se z 95 % etanolu a 5 % aditiv podporujících vznětlivost (5).

Další možností je použití dvoupalivového systému s oddělenou nádrží. Lze použít např. vstřik etanolu do spalovacího prostoru samostatným vstřikovačem současně se vstřikem zapalovací dávky motorové nafty druhým vstřikovačem. Jiná možnost spočívá v nasávání zápalné směsi etanolu se vzduchem. Příprava směsi se uskutečňuje obdobně jako v motorech zážehových buď v karburátoru, nebo nízkotlakým vstřikováním před sací ventil. Vlastní zapálení směsi se zajišťuje opět vstříknutím zapalovací dávky motorové nafty (6).

Poslední možností využití etanolu ve vznětových motorech je přidávání etanolu přímo do motorové nafty, tato možnost však naráží na obtížnou mísitelnost obou paliv a stálost směsi. Mísitelnost a stálost směsi je možné podpořit přísadami, např. butanolem. Největší relativní efekt přináší přidání 5 % etanolu, zejména z pohledu produkce uhlíkatých emisí (CO, HC) a kouřivosti. Vyšší procento přidávaného etanolu výrazné změny nepřináší. Zároveň je nutné vzít v úvahu i skutečnost, že větší množství etanolu snižuje mazací schopnost paliva, což zvyšuje opotřebení vstřikovacího zařízení (4).

S přihlédnutím k výše uvedeným možnostem využití etanolu ve vznětových motorech byla na katedře vozidel a pozemní dopravy ČZU v Praze ověřena možnost využití etanolu ve směsi s motorovou naftou. Směs byla tvořena motorovou naftou s 5 % etanolu, stálost této směsi byla zajišťována nepřetržitým mícháním. Hlavním předmětem zkoumání byla změna produkce škodlivých emisí.

Materiál a metody

Měření bylo provedeno na zkušebním motorovém stanovišti katedry vozidel a pozemní dopravy technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Zkoušky byly provedeny na traktorovém motoru Zetor 7701, jehož základní parametry jsou uvedeny v tab. II. K měření emisí CO, HC a CO₂ byl použit analyzátor Infralyt 4000, který ke zjištění koncentrací emisí používá nedisperzní infračervenou metodu (NDIR = Non Dispersive Infrared). Emise NO_x byly měřeny analyzátorem Uras 2T, kouřivost byla měřena přístrojem Hartridge. Zatěžovací moment motoru byl nastavován vířivým dynamometrem VD 250. Obr. 1. dokumentuje umístění motoru na zkušebním stanovišti.

V prvním kroku byla jako palivo použita motorová nafta. Při plné dodávce paliva byla změnou zatěžovacího momentu naměřena vnější otáčková charakteristika motoru, hlavním měřeným parametrem točivý moment motoru a produkce jednotlivých složek škodlivých emisí (jako základní složky emisí byly měřeny CO₂, CO, NO_x, HC a kouřivost). Stejné parametry byly měřeny i u paliva tvořeného z 95 % motorovou naftou a z 5 % etanolem. Kvůli špatné mísitelnosti motorové nafty s etanolem bylo zapotřebí během celého měření směs paliva míchat.

Výsledky

Obr. 2. až obr. 7. přehledně znázorňují změnu točivého momentu a změnu produkce jednotlivých složek emisí při použití motorové nafty a motorové nafty s 5 % přídavkem etanolu. V grafech není znázorněna změna měrné spotřeby paliva. Etanol má výrazně nižší výhřevnost (tab. I.), což způsobuje nárůst spotřeby přibližně o 60 %. Z tohoto důvodu by mohlo být porovnání měrné spotřeby paliva zavádějící.

Přidáváním 5 % etanolu do motorové nafty klesl točivý moment motoru o 2–3 %. Tento pokles je způsoben výše zmíněnou nižší výhřevností etanolu. Pro dosažení předepsaného točivého momentu motoru by bylo nutné zvýšit nastavení maximální dodávky vstřikovacího čerpadla, tím by se však zabránilo bezproblémovému přechodu na motorovou naftu. Změna produkce CO₂ (obr. 3.) je způsobena nižším procentickým obsahem uhlíku ve směsi motorové nafty s 5 % etanolu. Hmotnostní podíl uhlíku v motorové naftě se pohybuje v rozmezí 85–88 %, u etanolu je tento podíl přibližně 52 %. Pokles kouřivosti a snížení koncentrací uhlíkatých emisí (obr. 4. až obr. 6.) způsobuje vázaný kyslík v etanolu, jehož vlivem dochází k lepší oxidaci uhlíku obsaženém v palivu. Mírný pokles koncentrace NO_x je způsobený snížením spalovací teploty při provozu na etanol (obr. 7.).

Závěr

Ačkoliv je využití etanolu, jako alternativního biopaliva, převážně spojeno se zážehovými motory, jeho uplatnění je možné nalézt i ve vznětových motorech. Využití etanolu ve vznětových motorech je ale spojeno s řadou problémů, nedá se tedy počítat s jeho větším uplatněním, tak jako např. u metylesteru řepkového oleje.

V současné době převládá využití etanolu ve směsi označované jako E95. Toto palivo se zatím používá převážně v uzavřených autoparcích (např. autobusy MHD), jehož průkopníkem ve využití je firma Scania. V porovnání s motorovou naftou klesá produkce škodlivých emisí NO_x, CO, mírný nárůst se ukazuje u emisí HC, produkce PM (pevných částic) představující největší problém vznětových motorů je téměř nulová.

Výsledky provedeného experimentu odkazují na další možnost využití etanolu a to přímého přidávání do motorové nafty. V tomto případě je však nutné vyřešit problém se stabilizací tohoto směsného paliva. Jako možnost stabilizace se jeví přidávání butanolu.

V běžné praxi se nedá počítat s větším než 15% přidáváním etanolu. Už takto vysoké procento podílu etanolu přináší značný problém s mazáním vstřikovacího čerpadla.

V porovnání s běžnou motorovou naftou dojde při provozu na směs motorové nafty s 5 % etanolu k výraznému poklesu produkce emisí CO, k mírnému poklesu produkce emisí HC, CO₂ a NO_x, nižší je i kouřivost motoru. Pokles točivého momentu se pohybuje v rozmezí 2–3 % a výrazný problém nepřináší. Po vyřešení otázky stabilizace směsi se přidávání 5 % etanolu jeví jako vhodná možnost využití etanolu ve vznětových motorech a zároveň způsob jak účinně snižovat škodlivé emise vznětových motorů.

Literatura

1. KAMEŠ J.: Alternativní pohony automobilů. 1. vydání, Ben, Praha, 2004, 232 s, ISBN 80-7300-127-6
2. KÁRA J.: Podmínky výroby a využití biopaliv. [on-line] http://www.agroweb.cz/Podminky-vyroby-a-vyuziti-biopaliv__s87x28390.html (citace z 26. 9. 2008)
3. KŘEPELKA V.: Vliv použití směsi nafta – líh na parametry naftového motoru. Výzkumná správa, Praha 1988
4. KŘEPELKA V.: Využití bioetanolu jako paliva v zemědělství. Ústav zemědělských a potravinářských informací, Praha, 1997, ISBN 80-86153-34-7
5. HÖNIG V., MILER P., HROMÁDKO J.: Bioetanol jako inspirace do budoucna. Listy cukrov. řepař., 124, 2008 (7/8), s. 203–206
6. LAURIN J.: Motory na paliva s kvasným lihem. In XXXVII. Mezinárodní konference kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol. Praha, 2006, ISBN 80-213-1510-5

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce s měsíčníkem Listy cukrovarnické a řepařské.

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